(完整版)降压斩波电路设计.doc

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1、1 绪论电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。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

2、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。其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用

3、IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点，因此发展很快。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT

4、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。二.课程设计 1. 降压斩波电路的设计目的（1）培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。（2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。（3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。（4）提高课程设计报告撰写水平。2. 降压斩波电路设计的基本要求对Buck降压电路的基本要求有以下几点：1.输入直流电压：Ud=100V2.开关频率40KHz3.输出电压范围50V80V4.输出电压纹波：小于1%5.最大输出电流：5A（在额定负载下）6.具有过流保护功能，动作电

5、流：6A7.具有稳压功能8.效率不低于70%3. 总体电路框图电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。 图1 电路框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传

6、到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。4 降压斩波主电路的设计4.1 BUCK降压斩波主电路：在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压Ud。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。图2 降压斩波主电路图4.2

7、电路工作原理分析： 直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。当t=0时，V管被激励趋于导通，VD管要承受反压。在V管接通的t1时间内，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存储于电感中。电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3（b）所示： 图3 电路工作时的电流波形图当时刻V管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。其中二极管VD势必导通，电感电流可通过负载，VD形成通电回路。电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续

8、且脉动小，故应串联较大的电感L。（2）至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为U.=KE, 为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；K为导通占空比。通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，可分为三种工作方式：1） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制工作方式；2） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方式；3） 开关导通时间ton和开关周期T都可调，称为混合型。但是普

9、遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。4.3 主电路元器件参数选择：主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明：(1) 对于电源，因为题目要求输入直流电压为100V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。(2)IGBT 由图2易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流5A，反向击穿电压Bvceo100v的IGBT。如果考虑2倍的

10、安全裕量需选择集电极最大连续电流10A，反向击穿电压Bvceo200V的IGBT。 (4)二极管 当=1时，其承受最大反压100V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择Vc100v,I5A的二极管。考虑2倍的安全裕量： Umin=2Xu1=200V Imin=1xIt=2x5=10A(5)电感 选择大电感L，使得电路能够续流，此时的临界电感为： L=U0（UdU0）/2fUdI。 设输出电压为80V，则 L=80x（10080）/2x1000x40x100x5=0.04mH 所以电感L=0.04mH，取L=0.1mH。(6) 电容 选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能

11、取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为80V时来算 C=U0（UdU0）/8LUcffUd =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF这里取C=13uF。(7)电阻RL 因为输出电压为50V80V时，而输出的最大电流为5A。所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在10。5. 控制电路原理与设计：5.1控制电路方案比较及选择：控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小。IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应

12、，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入

13、电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制. 因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。 图4 SG3525的引脚 图5 内部框图 5.2 SG3525各引脚具体功能：（1）引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反

14、馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。（2）引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。（3） 引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。（4） 引脚4：振荡器输出端。（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。（6） 引脚6：振荡器定时电阻接入端。（7）引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放电回路。（8） 引脚8：软启动电容接入端。（9） 引脚9：PWM信号输入端。（10） 引脚10：外部关断信号输入端。（11） 引脚11：

15、输出端A。（12） 引脚12：信号地。（13） 引脚13：输出级偏置电压接入端。（14） 引脚14：输出端B。（15） 引脚15：偏置电源接入端。（16） 引脚16：基准电源输出端。5.3 SG3525芯片特点如下：（1） 工作电压范围：8-35v。（2） 5.1V微调基准电源（3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。（4） 具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。（6） 内置软启动电路。（7） 具有输入欠电压锁定功能。（8） 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调

16、的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。5.4 控制电路原理分析：由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=

17、1F, =10,=6.2。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。 SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：图6.控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 6 驱动电路原理与设计6.1 驱动电路方案设计与选择：该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部

18、分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：(1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交

19、流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。(2)采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。（11）由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离。6.2 驱动电路工作分析： 驱动电路的电路图如图5所示：接IGBT源极接IGBT栅极PWM调制 图7： 驱动电路原理图如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一

20、个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。 IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有A级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。7 保护电路原理与设计在电力

21、电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。7.1 过电压保护电路：过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。本次设计的电路要求输出电压为50V80V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过压保护。

22、当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。如图6所示：取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压（5V）进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压是，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。设计的过压保护电路图如图8所示：取样电压接入SG3525的10

23、端 图8：过压保护电路原理图7.2 过电流保护电路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从

24、而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。设计的过流保护电路如图9所示：接入SG3525的10端过流保护输入图9： 过电流保护原理电路图7.3 欠电压保护电路 欠电压保护是指防止输入电压发生故障，输入电压突然下跌，使得输入电压过低，导致电力电子器

25、件或芯片工作在低电压下，可能产生的损害。所以欠电压保护就是对输入电源进行检测，当出现低电压时动作。本次设计的欠电压保护还是利用芯片SG3525的引脚10端的自锁功能。设计的欠电压保护电路如图10所示。如图所示，具体的方法是在电源侧并联大电阻，再通过电阻进行电压取样，将取样电压接入比较器的负端，与比较器的正端的基准电压（取5V）相比较。正常状态下，取样电压高于基准电压，此时输出一个负的高电压，芯片正常工作。当出现欠电压时，取样电压降低，低于基准电压，此时输出一个高电平，芯片SG3525的引脚10端锁死，IGBT的脉冲关断，电路断开，从而实现欠压保护的功能。 电源电压检测测测接入SG3525的10

26、端 图10： 欠电压保护电路原理图7.4 IGBT的保护IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为损坏的主要原因有两种：一是退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有Li，ic上升速度减慢；V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制

27、了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给Li提供释放储能的回路。如图11所示： 图11 ：IGBT保护电路8.设计稳压直流电源15V和直流电压100V 题目只给直流电压Ud=100V，而运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作电压。如图12所示，先用变压器将220V降压为22V的交流电，再经过桥式整流得到直流电压。通过滤波电容滤波后，用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。其中变压器匝数比为220V/24V,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。选择二极管型号为IN4003。同时再将220V通过变压器降压后，再通过桥式整流，再接滤波电容滤波后，即

28、可得到直流电压Ud=100V。 图12 ：稳压15V电路9.课程设计总结经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，再不懂得地方请教老师，还有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。知道了

29、大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解PWM控制器（SG3525）的运用，具体理解每个引脚代表什么，功能是什么。毕竟是第一次进行课程设计，能力不够，所以很多问题都没有考虑

30、周到，有些难题是和同学们商量才得出的结果，期间和同组的组员做了很多的沟通和商量，从而解决了很多问题，这在合作上也是一个不小的进步。同时，老师也给予了很多的指导和意见，这让我明白了很多东西。在答辩的时候，拿着自己的设计进行说明，老师帮助我们发现了问题，并提出了很多改进的意见，由此才得到了最后的设计图。撰写这份报告也很用心，花了很多的时间，提高了课程设计报告的撰写水平，这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的这次的设计经验，在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么大的设计，应该分模块去完成，才会把看似难题的东西解决掉。三元器件清单器件名称规格与型号数量绝缘栅双极型晶体管200V

31、/10A1个续流二极管IN414B1个电感0.1mH1个电容100uF/13uF/1uF/0.1uF2/1/2/1个二极管IN400311个金属膜电阻20/6.2/10/123/1/3/1 个金属膜电阻88.7/500/2K/1K1/1/4/5个金属膜电阻19.1K/5.1K/95.3K/75K1/2/1/1个三极管PNP型.NPN型各1个滑动变阻器1K1个PWM控制器SG35251片光耦合器6N1362个运算放大器LM3241片三端集成稳压器件78151个或门74LS321片功率电阻0.1/60W2个变压器220V/24V1个四参考文献1.周克宁，电力电子技术北京：机械工业出版社，2004；

32、2.黄家善，电力电子技术北京：机械工业出版社；3.王兆安、黄俊，电力电子技术第四版。北京：机械工业出版社，2000；4.李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南（14册）北京：机械工业出版社，2001；5.王维平，现代电力电子技术及应用，南京：东南大学出版社，1999；6.石玉等，电力电子应用技术题例与电路设计指导北京：机械工业出版社；7.叶斌电力电子应用技术及装置北京：铁道出版社，1999； 8.谢福，张礼电力交流器电路北京：机械工业出版社，2008.10；9. 赵良炳, 现代电力电子技术基础北京:清华大学出版社,199510.丁道宏, 电力电子技术北京:航空工业出版社,199211. 王水平MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用邮电出版社，2009