基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路分析
第十二讲 斩波电路
O i
t i1 I1 0 I2 0 to f f T b) i2 I1 0 t
O io i1 I2 0 O to n T t1 t x t2 to f f c) i2
t
O
to n
t
图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
11.1.2 升压斩波电路
1.升压斩波电路的基本原理
工作原理 假设L值很大，C值也很大 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1， 同时C的电压向负载供电，因C值很 大，输出电压uo 为恒值，记为Uo 。 设V通的时间为ton ，此阶段L上积蓄 的能量为 EI1ton V断时，E和L共同向C充电并向负载 R供电。设V断的时间为toff，则此期 间电感L释放能量为 Uo - E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与 释放能量相等
11.1.2 升压斩波电路
电路分析
V 处 于 通 态 时 ， 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i1 ， 得 下 式
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
d i1 L Ri1 E M dt
t 1 - e
（3-27）
设i1的初值为I10，解上式得
i1 I10 e
（3-33）
I 20
T on - t EM e -e - T R 1- e
E e -a - e - m R 1 - e-
E R
（3-34）
11.1.2 升压斩波电路
与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得
a - m E I
R
（3-11）
升降压斩波电路在直流可逆电动机的运用课程设计报告
电力电子技术课程设计报告姓名： ***学号： ***班级： ***指导老师： ***专业：电气工程与自动化设计时间： 2007-7***大学自动化学院制升降压斩波电路在直流可逆电动机的运用摘要：文章分析了升／降压斩波电路的工作原理，介绍了集成芯片SG3525的应用特点，并对由SG3525控制，通过升／降压斩波电路来实现的直流脉宽调速电路进行了分析和实验。
关键词：升／降压斩波电路 SG3525 直流脉宽调速本文介绍了通过斩波电路来实现的直流脉宽调速电路，此斩波电路由基本的降压型变换器和升压型变换器相组合，选用全控型器件MOSFET，当此变换器对直流电动机供电时，只要对MOSFET进行实时的PWM 控制，就可实现电机的四象限运行。
此斩波电路中IG—BT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
1 电路组成及系统分析直流脉宽调速电路原理如图1所示，其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合，采用IGBT作为自关断器件，利用集成脉宽调制控制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号，由两个IGBT及其反并联的续流二极管组成。
图1 电路原理图1．1 主电路工作原理三相127 V交流电经桥式整流电路，滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端(COM)(如图1所示)。
若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机正转。
若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的T。
时间内，形成电流回路P —T1一A—B-N，此时UAB>0， AB>0；在T1截止时由于电感电流不能突变，电流 AB经D2续流形成回路为A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，电机工作在正转电动状态(第一象限)，T1，D2构成一个Buck变换器。
若T1截止，T2周期性地通断，在T2导通的T。
电力电子课后题答案03
cosϕ=0.6227
④α= π 时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7）得 2
π
sin(
+θ-0.89864)=sin( π
-θ
−0.89864) e tanϕ
2
2
解上式可得晶闸管导通角为：
θ=2.375=136.1°
也可由图 4-3 估计出θ 的值。 此时，晶闸管电流有效值为
2．一单相交流调压器，电源为工频 220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5Ω，L=2mH。
试求：①开通角α的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧
的功率因数；④当α= π 时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。 2
解：①负载阻抗角为：
φ=arctan（ ωL ）=arctan（ 2π × 50 × 2 × 10−3 ）=0.89864=51.49°
∫ Uomax =
1π( π0
2U 1sin ωt)2 dωt = U1
此时负载电流最大，为
I omax
= U omax R
= U1 R
因此最大输出功率为
Pmax
= U o max I o max
= U12 R
输出功率为最大输出功率的 80%时，有：
P = 0.8Pomax = (
0.8U 1)2 R
要 V2 保持导通，与 V3 和 VD3 构成的降压斩波电路相配合。
当 V3 导通时，电源向 M 供电，使其反转电动，电流路径如下图：
V1
E
VD2
V2 VD1
uo L
V3
R io M
VD4
+-
第三章 直流斩波电路
u1正半周：V1导通输出电压，V1关断时，V3 续流；
u1负半周：V2导通；V2关断 时，V4续流。 可通过改变占空比α调节输出电压的大小。
通过谐波分析可知，电源电流中不含有低次 谐波，只含有和开关周期T成反比的高次谐波， 这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。电路的 功率因数接近1。
4．1．2 三相交流调压电路
这种电路常用于电炉的温度控制等时间常数很 大的负载中，以周期为单位进行控制足够了。 当晶闸管导通时刻是正弦波的起始点时，在电 源电压接通期间，负载电压是正弦波，没有谐 波污染。
4．2．2 交流电力电子开关
把反并联的晶闸管串入交流电路中起 接通和断开电路的作用，这就是交流电力 电子开关。其作用是代替电路中的机械开 关。
以交流电的周期（2π）为单位来控 制晶闸管的通断，从而调节输出平均功率 的电路，称为交流调功电路。
设控制周期为M，晶闸管在前N个周期导通， 后M-N个周期关断。
当M=3、N=2时的电路波形如图4-13所示。
调功电路和调压电路的电路形式完全相同，只 是控制方式不同。因其直接调节对象是电路的 平均输出功率，所以被称作交流调功电路。
1）T不变，调节ton，称为脉冲宽度调制，简称PWM； 2） ton不变，改变T，称为频率调制或调频型； 3） ton和T 都调节，称为混合型。 其中第一种方式使用最多。
3．1．2 升压斩波电路
1、工作原理：
当V导通时，E向L补充电能，充电电流为I1，C向负载R 供电，u0基本恒定。 当V阻断时，E和L共同向C充电，并向负载提供能量。
S U1I 0 U1 2
α的移项范围为0°——180°。
2、阻感负载
若把α=0点仍定在电源电压的零点，显然， 阻感负载下稳态时α的移项范围应为 φ<=α<=π。其中负载的阻抗角为φ，负载电 流应滞后于电源电压u1φ角度。在用晶闸管控制 时，很显然只能进行滞后控制，使负载电流更为 滞后，而无法使其超前。
斩波电路原理
斩波电路原理一、斩波电路概述斩波电路是一种将直流电转换为交流电的电路，通常用于交流电机驱动、逆变器等应用中。
其原理是通过周期性地开关导通和断开，使直流电源经过一个高频变压器的变换，输出具有一定频率和幅值的交流电。
二、斩波电路分类1. 单极性斩波电路：只有一个半桥开关管或全桥开关管，在负载两端产生单向脉冲。
2. 双极性斩波电路：有两个半桥开关管或全桥开关管，在负载两端产生双向脉冲。
三、单极性斩波电路原理单极性斩波电路主要由直流源、半桥开关管、高频变压器和输出滤波器四部分组成。
其中直流源提供稳定的直流输入，半桥开关管控制输入信号的导通和断开，高频变压器将输入信号变换成具有一定频率和幅值的交流信号，输出滤波器则对交流信号进行平滑处理。
1. 直流源直流源通常使用整流桥将市区或三相交流转换为稳定的直流电源，直流电压的大小取决于所选用的整流桥和滤波器。
2. 半桥开关管半桥开关管通常由一个N沟道MOSFET管和一个二极管组成。
当N 沟道MOSFET导通时，二极管截止；当N沟道MOSFET截止时，二极管导通。
通过控制N沟道MOSFET的导通和截止，可以实现直流信号的周期性开关。
3. 高频变压器高频变压器是斩波电路中最重要的部分之一。
它通过将输入信号变换为具有一定频率和幅值的交流信号，实现了直流到交流的转换。
高频变压器通常由磁芯、一些绕组和辅助元件组成。
4. 输出滤波器输出滤波器主要用于对交流信号进行平滑处理，去除其残留的脉冲噪声和杂散波形。
输出滤波器通常由电感、电容等元件组成。
四、双极性斩波电路原理双极性斩波电路与单极性斩波电路类似，只不过在半桥开关管上增加了一个相同结构相反的开关管。
这样，当一个开关管导通时，另一个开关管截止，从而在负载两端产生双向脉冲。
五、斩波电路优缺点1. 优点：(1) 斩波电路可以将直流电源转换为交流电源，用于驱动交流负载。
(2) 斩波电路具有高效率、高速度和可靠性等优点。
(3) 斩波电路可以实现输出电压和频率的调节。
降压斩波电路的设计
1 电路总体分析与方案选择1.1问题的提出与简述直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器（DC/DC Converter）。
直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流—交流—直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
1.2设计目的及解决方案任务的要求是需要设计一个输出为20-30V的直流稳压电源，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。
然后对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见所学课本第三章，所选着的全控型器件为IGBT。
任务还需要通过PWM方式来控制IGBT的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。
电路需要使输出电压恒定为15V，采用电压闭环，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。
得到电路的原理框图如下：图1-1 总电路原理框图2 直流稳压电源设计2.1 电源设计原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如下所示：图2-1 直流稳压电源原理框图电源变压器的作用是将来自电网的220V 交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
电源变压器的效率为：，其中：2P 是变压器副边的功率，1P 是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表2-2 所示：表2-2小型变压器效率副边效率P2效率n <10VA 0.610-30VA 0.730-80VA 0.880-200VA 0.85因此，当算出了副边功率2P 后，就可以根据上表算出原边功率1P 。
第3章 斩波
Io R
EI1 EI o U o I o
I1
t on T
I o I o
输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器
1
I10=0，且t=tx时，i2=0
降压斩波电路
式（3-6）
负载电流断续的情况：
1 (1 m)e t x ln （3-16） m 式（3-7）
（3-3）
设此阶段电流初值为I10， =L/R，解上式得
i1 I10e
t
t E EM 1 e R
（3-4）
3.1.1
L d i2 dt
降压斩波电路
Ri 2 EM 0
V为断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： （3-5）
设此阶段电流初值为I20，解上式得：
t EM 1 e R
（3-6）
1 e t1 / I 20 1 e T /
E EM 1 e E m R R R 1 e
；
式中:
T /
m EM / E
3.1.2
升压斩波电路
3.1.2
升压斩波电路
• 用于直流电动机传动时
通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给 直流电源 实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩 波电路一样，也有电动机电枢电流连续 和断续两种工作状 态 此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的 直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电 压基本是恒定的，因此不必并 联电容器。
单片机第三章直流斩波电路n
滤波原理
直流斩波电路通过滤波电路对 高频脉冲进行滤波，得到稳定 的直流输出。
控制原理
直流斩波电路通过控制器对开 关元件的控制信号进行调节， 实现对输出的精确控制。
直流斩波电路的基本结构
控制器
控制器负责生成开关元件的控制 信号，用于调节电源的输出。
开关元件
滤波电路
开关元件是直流斩波电路的核心 部分，负责快速切换电源的输出。
优点
• 高效率 • 精确控制 • 能量回收
局限
• 电磁干扰 • 纹波幅度 • 成本较高
直流斩波电路的未来发展趋势
随着电力电子技术的不断进步，直流斩波电路将进一步提高电压和电流的调 节精度，降低纹波幅度，并应用于更广泛的领域，如新能源和电动汽车。
直流斩波电路的作用
电压/电流调节
直流斩波电路能够调节直流电源的输出电压或电流，满足特定的需求。
能量回收
直流斩波电路可实现电能的回收利用，减少能源的浪费。
电机驱动
直流斩波电路可用于控制电机的速度和转向，实现高精度的电机控制。
直流斩波电路的原理
切换原理
直流斩波电路通过开关元件的 快速切换，将直流电源的输出 转换为高频脉冲。
直流斩波电路
直流斩波电路是一种用于调节直流电源输出的电路，通过切换电源的开关来 改变输出电压或电流。
直流斩波电路的定义
1 调节直流电源
直流斩波电路可通过高频开关路由，调节直流电源的输出电压或电流。
2 重要组成部分
直流斩波电路主要由控制器、开关元件和滤波电路组成。
3 作为电源变换器
直流斩波电路也可以将直流电源转换为交流电源。
滤波电路对高频脉冲进行滤波， 使输出稳定且纹波尽可能小。
直流斩波电路的应用示例
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湖南科技大学 信息与电气工程学院
《电力电子技术课程设计报告》 题 目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真 专 业：电气工程及其自动化 班 级：13级电气三班 * ***** 学 号：********** 指导教师：***
2016年 6 月 17日 2
信息与电气工程学院课程设计任务书 2015 — 2016 学年 第 2 学 期 专业：电气工程及其自动化 班级：13级电气三班 学号：1304010330 姓名：陈美林 课程设计名称 ： 电力电子技术课程设计 设计题目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真（电源：220V，电机48V,4A,IGBT） 完成期限：自 2016 年 6 月 14 日至 2016 年 6 月 17 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容 一、设计依据 设计参数：输出电压48V、电流4A
二、要求及主要内容 1．主电路、保护电路、控制电路设计； 2．主电路元件的参数计算与选择； 3．计算整流变压器参数、选择其容量和规格； 4．主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择； 5．绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图； 6．写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型，器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计报告3000字以上；
指导教师（签字）： 批准日期：2016 年 6月 1日 3
评语： 成绩：
评阅人： 日期：
摘 要 本次电力电子技术课程设计的题目是基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路仿真设计（电源：220V，电机48V,4A,IGBT）。以单片机为核心的桥式可逆斩波电路实现直-直电压的斩波控制，有利于提高变换器的功率密度和功率效率。文章给出其工作模态和工作原理，讨论了三种P W M调制策略，并指出单性调制策略可降低开关损耗。斩波开关元件采用电力电子器件I G B T。系统具有控制灵活、外围器件少、结构简单、精度高、可靠性高等特点，通过仿真得到了验证。 直流斩波电路是城市轨道交通车辆电力牵引系统中广泛应用的电力电子电路，主要用于构成驱动直流电机的调压调速主电路和辅助电路的前级。直流斩波基本电路主要有：降压斩波电路、升压斩波电路、再生斩波电路、多象限斩波电路、多相多重斩波电路和G T O斩波电路等。而桥式可逆斩波电路的特点，具有反应速度快、效率高、开关元件承受反压小的特点。本文给出了桥式可逆斩波电路详细的分析和仿真。 关键词：斩波器 直-直变换器 微控制器 4
目录 1、目的与意义....................................................... 5 2、原理............................................................. 6 2.1设计要求 .................................................... 6 2.2设计方案 .................................... 错误!未定义书签。 2.3电路拓扑图 .................................................. 6 2.3.1主电路 ................................................ 6 2.3.2控制电路 .............................................. 7 2.3.3驱动电路 .............................................. 8 2.3.4保护电路 .............................................. 8 3、器件选型......................................................... 9 3.1 555定时芯片简述 ............................................ 9 3.2主电路参数计算 ............................................. 10 3.2.1占空比 ............................................... 10 3.2.1主电路 ............................................... 10 3.2.2 IGBT................................................. 10 4.1仿真平台 ................................................... 12 4.1.1仿真平台 ............................................. 12 4.1.2仿真过程 ............................................. 12 4.2仿真波形 ................................................... 12 4.2.1输入电压、输出电压 ................................... 12 4.2.2波形输出 ............................................. 13 5、心得体会........................................................ 15 6、参考文献........................................................ 16 7、附录............................................................ 17 7.1器件表 ..................................................... 17 7.2主电路 ..................................................... 18 7.3控制电路 ................................................... 18 7.4驱动电路 ................................................... 19 7.5保护电路 ................................................... 19 7.6总电路图 ................................................... 20 5
1、目的与意义 电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。 随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。 电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学的电力电子基础知识。使学生能综合运用相关课程的基本知识，培养学生检索文献的能力，特别是利用网络检索需要的文献资料，培养学生综合分析问题、发现问题，解决问题的能力。。以及方案选择等。树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力，计算机应用能力；用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 通过课程实际使学生认识到理论与实践相结合的重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，显示的生活中需要更为丰富的知识，只有把硕学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在在课程设计工程中查阅资料，了解查阅资料的重要性，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。通过课程设计是学生所学的基础理论知识得到巩固，并使学生可以运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。 6
2、原理 2.1设计要求 利用可关断晶闸管（IGBT）、电源电压：1000V、电机电压220V,电流600A
2.2电路拓扑图 2.2.1主电路 桥式可逆斩波电路原理图，如图二所示。设电动机 感应电动势为EM，电感电流正方向为A→B。桥式可逆斩波电路包括四个工作模态。
图二：主电路 1、工作模态1 斩波器工作在第一象限，VT4始终处于导通 状态，VT3为关断状态。VT1导通，VT2关断。电动机工作于第一象限作正转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT1关断时， 电流不能突变，导致VD2导通，电感向电动机供电。 2、工作模态2 斩波器工作在第三象限，VT2始终处于导通 状态，VT1于关断状态。VT3导通，VT4关断。电动机工作于第三象限做反转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。工作原理与第一象限运行时完全相同。VT3关断时，电流不能突变，导致VD4导通，电感向电动机供电。 3、工作模态3 斩波器工作在第二象限，VT4始终处于导通状态，VT3于关断状态。VT2导通，VT1关断。电动机工作于第二象限正转再生制动运行，速方向不变，电流改变方向，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT2关断时，电流不能突变，导致VD1导通，EM与UL叠加向直流电源反馈能量。 4、工作模态4 斩波器工作在第四象限，电动机作为反转再 生制动时，电流反向，VT4导通，EM首先向电感L充