电力电子课程设计报告--可逆直流PWM驱动电源的设计

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：电力电子技术 设计题目：可逆直流PWM驱动电源的设计

院 系：电气工程系 班 级： 设 计 者： 学 号： 同 组 人： 指导教师： 国海峰，吕瑞峰，赵克 设计时间：2013年06月

哈尔滨工业大学教务处

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哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：电气工程 专 业：电气工程及其自动化 班 号： 任务起至日期： 2013 年 06 月 18 日至 2013 年 6月 22 日 课程设计题目： 可逆直流PWM驱动电源的设计 已知技术参数和设计要求： 课程设计的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。DC-DC变换器采用H桥形式，控制方式为双极性。 被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100，电机能够可逆运行。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。 工作量： 1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。 2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲分配电路）。 3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源h h

的自举电路）。 4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。 3人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及焊装和调试通过的控制电路板。 h

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工作计划安排： (学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)  第1周： 全体开会，布置任务，组成设计小组（每组3人），会后设计工作开始。 答疑，审查设计方案，发放器件和装焊工具。 完成焊装工作。  第2周 每人12学时到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录。 撰写设计报告。 同组设计者及分工： h

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指导教师签字 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字___________________ 年 月 日 h

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双极模式直流PWM驱动电源的设计

1.主电路设计

1.1. 主电路设计要求

直流PWM驱动电源的主电路图如图1a所示,图1b为控制原理框图，它包括整流电路和H桥可逆斩波电路的设计。二极管整流桥把输入交流电变为直流电，H桥逆变器则根据IGBT驱动信号占空比的不同，得到不同的直流电压，并将其加在电动机上。

a主电路图

功率转换电路ui脉宽调制电路脉冲分配电路器件驱动电路ub2ub1ub3ub4V1V2MV3V4+L1L2L3b 控制原理框图

图1

（1）整流部分采用四个二极管构成整流桥模块；

（2）逆变器部分采用IPM（智能功率模块）PS21564构成。该电路主要为三相逆变桥，此处采用其中的U、V两相；

（3）根据负载要求，计算出交流侧输入电压和电流，作为设计整流变压器、选

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择整流桥和滤波电容的依据。

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由于该电路整流输出电压较低，所以在计算变压器副边电压时应考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。

1.2 整流电路设计

整流部分采用4个二极管构成的整流桥模块。电动机的额定电压为20V，通过查阅该型号IPM的数据手册得知，开关器件的通态压降为2V左右，可知Vdc电压为24V，由全桥整流电路可知：Vdc0.9V2

整流桥中二极管的管压降为1V，可知变压器副边电压及变压器的变比，滤波电容选择耐压40V左右，容值450uF左右。

1.H型逆变桥设计

该部分电路在IPM模块内部集成，不需要设计。它的主电路是三相逆变桥，此处采用其中的U、V两相。

2 .控制电路设计说明

SG3525的13脚输出占空比可调，占空比调节范围为0~1的脉冲信号，经过移相后，输出两组相位相反，死区时间为5μS左右的脉冲，分别驱动V1、V4和V2、V3的开通和关断。

2.1脉冲信号电路的设计

设计中使用SG3525产生需要的脉冲信号。5脚接一个0.02uf的电容，6脚接滑动变阻器，两者组成RC振荡电路，可以通过调节滑动变阻器的阻值使脉冲的频率为设计要求的5kHz。根据芯片手册公式计算可得当R=15K、C=0.02uF时，输出频率为5kHz，为使调节方便选用阻值为20K的滑动变阻器。通过改变2脚输入电压的大小调节输出脉冲的占空比。为使电机具有软启动功能，在8脚需要接电容。根据芯片手册软启动时间和电容大小的关系：60ms/uF。为了使电机软启动为2s，所选的电容应为33uF，同时，10脚应该接地。在输出端，13需要上拉电阻与5V参考电平相连。将11和14脚短接，脉冲由13脚引出。电路图设计如图2所示：

图2 脉冲产生电路

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2.2脉冲分配电路的设计

本设计是双极性PWM驱动。由SG3525产生的脉冲经过一个非门变成0V、5V信号，当信号为高电平时对电容充电，当电容电压达到非门的开启电压2V时，输出才变为高电平，由此达到了延时的目的。所需延迟时间为5us，有三要素公式计算得，当选定电容为0.01uf时，对应的电阻为978.8Ω。为了方便调节，选择5K的滑动变阻器。此电路即可产生死区时间为5us的双极性PWM调制信号。具体脉冲分配电路如图3：

图3 脉冲分配电路

2.3自举电路设计

为了简化设计，上桥臂两个器件V1 和V3 的驱动电源采用单电源自举式供电，这样整个模块的控制部分只需采用1 个15V 电源供电即可。

自举电路中的二极管选用IN5819，电容值为10uF，电阻值为5欧左右。如图4所示。

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图4 自举电路

2．4 稳压电源设计

设计一个直流 15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为减小损耗，采用LM2575T－ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压33V作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V的直流电源。LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式。TTL电路的5V工作电源可以直接取自SG3525的内部参考电源管脚。滤波电路中的二极管选用IN5819。如图5所示。

图5 15V稳压电源电路

查阅芯片手册知：

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VoVREF(1R2) R1 可得：

为使电路方便调试，使用定值电阻， 使用电位器。

3 调试过程及结果分析

3.1调过试程：

（1）.控制板上的15V稳压电源电路的调试

将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7都不连接。再将LM2575T插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，调节稳压电路中的电位器，使稳压电路的输出为15V直流电压。 （2）.脉宽调制信号发生电路的调试

将SG3525插在电路板上。在模拟盒上断开S2，闭合S1，给控制板上电。然后调节相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在0～1之间调节的脉宽调制信号。 （3）.两路驱动信号的开通延时电路的调试

给控制板上电后，调节相应电位器，观察两路驱动信号，驱动信号为：

图6 两路驱动信号波形对应的死区时间

两路驱动信号之间有5us左右的的开通延时，即5us的死区时间。 （4）.测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路

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将主电路板和控制板的J6和J7接口相连，在模拟盒上断开S2，闭合S1，给控制板上电。

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（5）.测试电机启动状态

在模拟盒上断开S2，闭合S1，给控制板上电。先将驱动信号的占空比调到50％附近。闭合S2开关，接通H桥的直流电源，调节占空比使电机启动起来。通过占空比的调节，能够调节电机转速，并控制电机正反转。电机控制系统具有软启动功能。

3.2结果分析

3.2.1电机负载

（1）. 占空比的有效调节范围

调节驱动信号的占空比使之达到最大值和最小值，最大占空比约为0.9；最小占空比约为0.1。

其中最大占空比对应的输出电压平均值约为19V，最小占空比对应的输出电压平均值约为-22V。

（2）. 负载电压和电流的波形

电机负载的电压和电流波形如图7和8所示所示，可看出当电机两端电压为正时，流过电枢的电流上升，电感储能。当电机两端电压为负时，流过电枢的电流下降，电感释放能量。

图7 电机负载，正转时，电压（下）和电流（上）的波形

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图8 电机负载，反转时，电压（下）和电流（上）的波形

（3）. 直流母线上电压和电流的波形：其电压波形如图9所示：

图9电机负载直流母线上电压波形

（4）.H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形：其波形如图10所示，其中V1，V4为一组V2，V3为一组。

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图10电机负载时，H桥驱动控制信号

3.2.2 电阻负载

（1）. 占空比的有效调节范围：

其占空比的有效调节范围与输出电压平均值与电机负载情况时基本相同。最大占空比约为0.9，最小占空比约为0.1。

其中最大占空比对应的输出电压平均值约为24.5V，最小占空比对应的输出电压平均值约为-26.1V。

（2）. 负载电压和电流的波形 ：

电阻负载的电压和电流波形如图11所示,电阻性负载的电压与电流波形同相。随开关器件的开通和关断，其电压电流值在正负之间交替。

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a 占空比大约50%

B 占空比小于50%

图11电阻性负载的电压和电流波形

（3）. 直流母线上电压和电流的波形：电阻负载时，直流母线电压波形如图12所示：

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图12电阻性负载直流母线电压

（4）. H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形如图13所示：其驱动信号波形同电机负载驱动信号波形。V1，V4为一组V2，V3为一组。

图13 电阻负载时，H桥驱动信号

4.收获和体会

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此次电力电子课程设计，我学习到了很多知识，不但对理论知识更加清楚，对实际电路操作也有了一定的掌握。通过完成可逆直流PWM驱动电源的设计，我对电力电子器件（IGBT）驱动脉冲的产生和分配也有了熟悉的掌握。同时，对之前学习的数电模电知识又有了温习。设计好电路后，焊接电路、调试电路，尤其是调试过程中，出现了各种各样的小问题，我们通过理论分析、查阅相关资料和请教老师，最终顺利完成调试工作。总之，这次课程设计，让我学到很多东西。

附 录

主电路图和控制电路原理图。

图14 主电路原理图

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图15 SG3525控制电路原理图

图16 脉冲分配电路

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图17 +15V稳压电源

图18 自举电路

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资料仅供参考!!!

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