电力电子课程设计 DCDC电源并联系统的电路设计

电力电子技术课程设计

题目：

DC/DC电源并联系统的电路设计 姓 名：赵婧宇

班 级：自动化08—4班学 号：0805980429 指导教师：刘春喜

张继华 王智勇

完成日期：2011年1月10日

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辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

学 期 2010-2011第一学期 姓 名 赵婧宇 专 业 自动化 班 级 08—4班 课程名称 电力电子技术 论文题目 DC/DC电源并联系统的电路设计 评定指标 分值 得分 知识创新性 20 理论正确性 20 内容难易性 15 评 结合实际性 10 定 知识掌握程度 15 标 书写规范性 10 准 工作量 10 总成绩 100 评语： 任课教师 刘春喜，张继华， 时 间 年 月 日 王智勇 备 注 2

课 程 设 计 任 务 书

一、设计题目

DC/DC电源并联系统的电路设计 二、设计任务 完成主电路的设计；

完成对IGBT驱动电路的设计； 完成对控制电路的设计； 完成对保护电路的设计。 三、设计计划

课程设计共一周内完成。

第1天，选择设计题目，确定设计任务，查阅资料； 第2天，主电路设计； 第3天，控制电路设计； 第4天，仿真验证； 第5天，完成设计。

四、设计要求

按设计任务和格式要求完成课程设计说明书一份。 设计必须按期完成。

指 导 教师：刘春喜 张继华 王智勇教研室主任：汪玉凤

时 间：2011年 1 月 7 日

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摘要

在托克马克装置中对等离子体进行磁约束的快控电源装置是一个大容量直流电源。本论文针对这个大容量特种电源的功能和特性的要求，提出一种设计方案，在这个方案中采用了模块化的四象限运行的PWM DC/DC电源，并采用了DC/DC电源并联技术。

论文中介绍了DC/DC电源并联的设计思想，分别从IGBT驱动电路，控制电路和保护电路三部分进行设计，将其结合，最终达到整体的DC/DC电源的主电路的目的。

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目录

第一章 DC/DC电源模块的电路设计………………………………………… 6

1.1主电路的设计…………………………………………………… 6 1.2 主电路各电路参数的选择……………………………………… 7

第二章 IGBT驱动电路的设计…………………………………………………8 第三章 控制电路的设计………………………………………………………10 第四章 保护电路的设计………………………………………………………11 4.1 IGBT的过电压保护电路………………………………………… 11 4.2 IGBT的过电流保护……………………………………………… 11

结论 …………………………………………………………………………… 13 本设计的体会……………………………………………………………………14 参考文献…………………………………………………………………………15

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DC/DC电源并联系统的电路设计

DC/DC电源并联系统的电路设计

第一章 DC/DC电源模块的电路设计

DC/DC模块的电路设计包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、辅助电源电路[1]

等。如图1-1所示，

图1-1 DC/DC电源模块框图

主电路的主要任务是实现功率转换：检测电路用于检测电源模块的支路电流，实现电流反馈；保护电路是对主电路的过压、过流等情况进行状态检测和显示，同时执行保护动作；辅助开关电源电路，为各个部分电路的芯片提供电压不等的直流工作电压。

1.1主电路的设计

DC/DC电源模块的主电路结构如图1-2所示。 12DF1345F2F3 图1-2 直流电源主电路图 C6 BDC/DC电源并联系统的电路设计

380V的交流电经降压、整流滤波后得到的直流电压，是DC/ DC斩波电路的直流电源输入。整流电路采用不可控桥式整流和电容滤波。斩波电路为受限单极型脉宽调制(PWM)[2]，斩波电路用脉宽调制斩波可以减小谐波，谐波减小的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间影响。采用全控器件可以大大提高开关频率。论文工作中采用的功率开关器件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，这种复合器件综合了MOSFET和GTR的优点，具有良好的特性。MOSFET作为功率器件具有是单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小且驱动电路简单等许多优点，但也存在通态电阻较大和电流容量较小的缺点。GTR是双极型器件，由于具有电导调制作用，其通流能力很强；但它们也存在开关速度相对较低、驱动功率大及控制电路复杂等缺点[3]。IGBT综合了二者的优点，具有导通电阻小，开关频率高(可达40KHz)，关断时间短(40ns)等优点。

图1-2中与IGBT并联的阻容电路的作用是防止功率管在关断过程中产生过

压，也称之为吸收电路。各模块在A, B处相接，L1和L2是均衡电抗器，用以抑制DC/DC电源并联时各模块的动态电流不均衡。电路中的电流-互感器用于电流采样，以便进行支路电流反馈和保护判断。L与RL为阻感性负载。

该电路设计输出功率为1KW，输出电压为50V，负载电阻约为5。

1.2 主电路各电路参数的选择

1)开关频率的选择

从减少电流脉动出发，开关频率越大，电流脉动就越小；从滤波的角度考虑，开关频率越高，高次谐波的滤除也比较容易。为了减小DC/DC变换器所产生的噪声，一般要求开关频率在6KHz和20KHz之间。但是从开关损耗上考虑，开关频率越高，开通和关断损耗就越大。因此开关频率的选择需要权衡。

另外开关频率的选取也要考虑单片机的执行速度。本系统采用的PIC16F877单片机[4]

的单指令周期的执行时间为200ns，用于发出开关频率的中断服务程序不会超过250条指令，则一次中断服务时间不会超过50us。如果以50us为开关周期，则开关频率可以达到20KHz。综合多方因素，本设计选用开关频率为10KHz。

2)整流变压器的选择

整流变压器采用三角形-星形接法。初级线圈的线电压为380V，副边线圈的线电压为100V，电流相电流为10A，频率为50Hz。

3)整流电路的元件参数确定

整流桥采用的是桥式整流电路，整流经滤波后的电压平均值为：

VO = (1.2-1.4)Vm (1-1)

Vm=l00V，代入式(1-1)得，整流输出的电压值取 VO = 140V。 每只二极管承受的最大反向电压为1.414Vm，故二极管承受的最大反压为140V左右。考虑实验样机的功率为1KW，负载电压为50V，估计电路中的负载的电流为20A左右，根据以上要求并留有一定的裕量，整流电路中的二极管选择200V/30A的管子。

4)滤波电路元件参数选择

滤波的基本思想就是要尽量降低输出电压中的脉动成分，使输出电压尽可能接近理想中的直流。电容滤波后的电压波形比较接近直流电压。滤波后的电压平均值为Vo。电容滤波是利用电容充放电特性来实现的。充放电的时间常数用RLC (RL为负载等效电阻)来表示。越大，放电过程越慢，滤波效果也越好，一般情况下滤波电容容量可通过下式来选择：

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DC/DC电源并联系统的电路设计

RLC(3—5)在此选用 RLC4T (1-2) 2T (1-3) 2其中T为整流后的电压脉动周期，为1(650)3.33ms，根据式4-3计算得到C约为1000uF。故本设计采用1000uF/200V的电容。

5)功率开关管的选择。

由于直流输入侧的电压平均值为140V，负载电流为20A，因此选择工GBT的规格为300V/30A。

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第二章 IGBT驱动电路的设计

[5]IGBT是一种场控器件，内部可等效成PNP晶体管和MOSFET组成的达林顿复合器件。12它的静态和动态特性与栅极驱动条件密切相关。 D15V16500Cn2333uF20V0.1uF15DEXB841Gn10K0.1uF470PWMn信号1A23133uFEn145492TLP521LED4.7k5v4701A图2-1 IGBT驱动电路 IGBT是一种电压驱动型器件，因此一般不需要太大的驱动电流。但是为了加快IGBTC的开通速度，驱动电路也需要一定的驱动功率，以尽快给IGBT的栅极电容充电达到IGBT开通阈值，从而减小开通时间和开通损耗。关断时，亦希望栅极电容放电越快越好，这样可以加快IGBT的关断速度，以减小关断时间和关断损耗。在器件导通后，驱动电压应保持足够的幅度，保证IGBT处于饱和状态。断态情况下，希望栅极驱动电路能提供一定的负电压，以保证IGBT的可靠关断。 IGBT的正偏压VGE的增加对减小通态电压和开关损耗有利，但负载短路时，流过器件的集电极电流将随VGE的增大而增大，并使器件承受短路电流的时间变短，因此IGBT的栅极驱动电压VGE不能太高，通常取+15V；负偏压也是一个重要的栅极驱动条件，它可以加快IGBT的关断速度和提高IGBT工作的可靠性。当栅射极间加反向电压时，可以加快IGBT内部MOSFET的沟道消失，PNP晶体管的基极电流快速被切断，从而使IGBT快速关断，减小了关断损耗。 IGBT内部寄生的NPN晶体管和主开关器件PNP晶体管一起组成寄生晶闸管，如果集电极电流过大或器件在高速关断时，电流下降过快，集电极电压突然上升dVCE/dt很大，造成寄生晶闸管开通，IGBT栅极失去控制，这就是所谓擎住效应，也称自锁效应。IGBT一B旦发生擎住效应，器件失控，集电极电流增大，造成过高的损耗，将导致器件损坏。栅射间加负偏压可以避免IGBT发生这样的误动作，增加IGBT的工作可靠性。负偏压一般取-5V；为了改善栅极控制脉冲的前后沿和防止振荡，减小集电极电流上升率diC/dt，需要在栅极回路中串联栅极电阻RG。RG选的大一些，对减小电流上升率、防止器件损坏有利，但会使IGBT的开关时间增加，会使开关损耗增加。根据IGBT的电流和电压容量选择RG为82。 EXB841能驱动高达600V/150A的IGBT，其驱动电路信一号延迟≤lus。EXB841的驱动9 DC/DC电源并联系统的电路设计

电路功能框图如图2-1所示，这种专用驱动芯片有如下功能。

1)内部装有高隔离的光电藕合信号隔离电路，可隔离交流2500V的信号。

2)内部装有过流保护电路。过电流检测电路能按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过电流。

3)过流保护输出。低速过电流切断过流保护电路光藕合器电路：当流过IGBT的电流超过设定值时，低速过电流切断断路可以慢速关断IGBT,以防止过快地切断过电流时因电路中电感的存在而在集电极上产生较高的电压尖脉冲，以至损坏IGBT。

4)单电源电路：可以由外部20V直流供电电压产生+15V的+晰：和-5V的-VGE，以保证IGBT可靠的导通和关断。

5)最大频率可达40KHz。

图2.2 EXB841 驱动电路功能框图

RG作为栅极驱动电阻，根据本系统主电路工GBT的电压容量300V，电流容量30A,在此选取的阻值为82，用来防止栅极信一号振荡和减小IGBT集电极电压尖脉冲。与栅极电阻RG相并的小电容是加速电容，可以加快IGBT的开通速度，还在截止反偏驱动电路中起储能电容的作用。

另外在IGBT的栅极和发射极之间接有1K电阻R3，防止栅射间断路，可以增大反向击穿电压值。

这种驱动电路可以产生+15V的正向栅极驱动电压，-5V的栅极负偏压，满足IGBT的栅极驱动条件，使系统可靠工作。另外在进行印制板的设计时应注意驱动电路与IGBT栅极接线的长度应小于lm，且应使用双绞线，以提高抗干扰能力。

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第三章 控制电路的设计

控制电路是由单片机PIC16F877及其接口电路组成的，其中包括通信电路电流控制电路、检测电路、逻辑延时电路、保护电路等。控制电路向监控计算机串行发送模块的工作状态信息，监控计算机监控其状态并判断发出控制信号，通过并行通信向各模块的CPU输入电流给定信号。

检测电路对主电路的电流电压信一号进行取样隔离放大并送到单片机PIC16F877的输入端口，然后通过软件进行PI调节和相应的保护判断(过压和过流判断)，由PIC16F877输出PWM脉冲信号和保护处理信号;逻辑延时电路对单片机输出的PWM信号进行逻辑判断并延时，才能作为IGBT驱动电路的输入信号。控制电路的框图如图3-1所示。

图3-1 DC/DC电源控制电路框图

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第四章 保护电路的设计

一个可行的系统应该具有比较完善的保护，故本设计在DC/DC电源上加有各种保护措 施，其中包括过流保护、过压保护及功率管本身的保护等。

4.1 IGBT的过电压保护电路

主电路中的IGBT关断时，由于电路中有寄生电感存在，往往会使功率管产生很高的过电压和电压变化率du/dt，对器件的安全运行带来很大威胁。为了防止过电压和减小du/dt，功率管设置了阻容吸收保护电路[6]，如图4-3所示，与IGBT并联的阻容电路即为吸收电路。在电阻关断时，du/dt很大负载电流通过电阻向电容分流，减轻了IGBT的负担，抑制了du/dt和过电压。吸收电路电阻不易过小，否则，IGBT开通时电容的放电电流过大。 选用的吸收电路电阻值为43，电容值为0.033uF。对于参数选择，依据 经验公式所得；在关断时，能量可写成：

ICVCE（trtf）12CVce (4-1)

22式中IC——最大的集电极电流(A)；

Vce——最大的集电极一发射极电压(V)；

tr ——最大的集电极电压上升时间(us)； tf ——最大的集电极电流下降时间(us)；

解得电容C得表达式为：

CIC(trtf) (4-2)

Vce根据上述分析，IGBT关断时电容C充电，工GBT开通时，充电得电容C经电阻R放电，我们选择RC，使电容在每次导通时间tON中可放完电。假设3倍时间常数可以放完，则：

3RC=tON (4-3) 其中Vce=140V, tf=0.2uS, tr=O.O5us，变换器得工作频率f=1OKHz ,IGBT的集电极电流为

1为开关周期)。则代入式(4-5)和式(4-6)可求得电阻值和电容f值，并结合实际情况，选取R =43，C=0.033uF。

20A，假设tON=40%T,(T =

4.2 IGBT的过电流保护

过流保护是IGBT的重要保护。在IGBT构成的变换器发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时，电源电压直接加到IGBT的C、E两极之间，流过IGBT的集电极电流将会急剧增加，此时若不迅速撤销栅极驱动信号，就会烧毁IGBT。为了防止由于短路故障而造成IGBT损坏，必须有完善的故障检测与保护环节，及时检测出过电流，并迅速切除。对于本系统进行分析可能引起短路故障的主要原因有：

1)桥臂短路，产生原因是由于控制回路、驱动回路的故障，或干扰噪声引起的误动作，造成一个桥臂的两个IGBT同时导通。或在并联时，由于不同模块的工作状态不一至而引起的不同模块的两个或多个工GBT短路，即直通现象。 2)负载电路接地短路或输出短路。

以上短路故障时，过电流可通过关断IGBT来切断。驱动电路中的EXB841集成驱动芯

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片，就内含IGBT的集电极过电流检测电路和栅极脉冲封锁保护电路。在IGBT参数选择时，都留有一定的裕量，10us以内的过电流都不会损坏器件。本系统过电流采用集电极电压检测的方法，利用测量集电极Vce的大小来判断IGBT集电极电流的大小。

3.主回路中的保护

主回路中也必须采取一些过流、过压保护措施。在主回路的交流电压输入侧接有快速熔断器，在产生装置过电流时切断电源。在主回路整流级后并有一个压敏电阻，有防止和消除电压瞬时尖峰的作用。

系统设计中安排了对主回路中的电压电流的检测环节，检测结果送到CPU,由软件判断是否过压、过流，若发现故障信号，则通过控制电路封锁PWM脉冲输出亦即封锁了IGBT的栅极驱动信号，从而实现了保护，同时控制电路也会给出故障显示信号。

由于模块工作状态的转换，直流侧的滤波电容可能会出现泵升电压，泵升电压过高会损坏系统中的元件，因此对泵升电压泄放电路泵升电压的处理，也属于电路保护的范围。泵升电压的处理可以是泄放，也可以是通过逆变回馈到电网中。本设计中目前采用的是泄放的方法，当电容两端的电压很高时，经分压检测到的电压超过正常电压值，比较器U1输出为低电平，光耦不导通，这时MOSFET(Q1)的栅极为高电平导通，泵升电压泄放，当电压正常时，比较器输出为正，光耦导通时QI的栅极为低电平，Q1截止，主电路工作恢复正常。

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结论

对于类似托卡马克快控电源这样的大容量且对其四象限运行和电流跟踪有较高要求的电源系统，传统的设计往往要等待超大容量器件的诞生或采取大量器件的串并联。而本论文工作中则考虑形成大容量电源的这样一种新的途径，即多个独立的中小容量的电源模块通过并联来满足电源总容量的需求。

通过对DC/ DC电源并联系统的仿真和实验研究，还得出一些与具体设计相关的结论，也是本论文的不足之处。如：

1)采用PWM技术的受限单极型DC/DC模块便于实现快速转换的四象限运行； 2)前馈控制和两级电流环有助于高性能电流跟踪的实现；

3)只要电源模块的调制频率相同，并联系统的负载电流就不会产生低频脉动，而为了保证各模块的调制频率一致，各模块的CPU采用同一个外部时钟电路，获得相同的PWM调制频率；

4)通过监控计算机的控制向各模块CPU传送相同的电流给定，实现电源模块的静态均流；

5)各模块通过串接均衡电抗器，使得并联系统的各模块的动态不均流得到抑制。

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体会

课程设计是学习专业基础学科的一个成果展示，更重要的是我们能在课程设计里找到自己的不足，清楚的了解自己在哪方面的学习还不够完整，不够好。本次课程设计，对于我来说突破了课本上学的东西，通过检索，查找到很多电力电子方面优秀的硕士论文，从中选取自己感兴趣的课题，对选中的论文进行学习、研究，不懂的地方再次查找文献。虽然最终也没有完全搞清楚，但是我从中真的学到了很多。像电力电子技术和单片机，自动控制原理的统一，让他们巧妙的结合在一起，能起到很好的作用。这种多学科的交叉也是我们学习的目的，将多种学科结合利用，达到目的才是真正的本事，而不是分立的学习。总之，检索和学习的过程让我受益匪浅。

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参考文献：

1.张君.实用电源技术手册模块电源分册.辽宁科学出版社，1999.

2.张强，张兴，张崇巍，鞠建永.电压型PWM整流控制器的工程设计.电气传动，2002年第32卷，2002, 9, P143-146.

3.张立,黄两一.电力电子场控器件.应用机械工业出版社.1999.

4.窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计.北京航空航天大学出版社.1997. 5.童诗白，华成英.模拟电子技术.第四版.高等教育出版社.2006.

6.田建，郭会军，王华民，李朝阳.大功率IGBT瞬态保护研究.电力电子技术.2000.

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