直流降压斩波电路的设计.docx
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直流降压斩波电路的设计
直流降压斩波电路的设计
直流降压斩波电路的设计
摘要:
本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。
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。
关键词:
降压斩波，主电路、控制电路、驱动及保护电路。
引言：
直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子领域的一大热点。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。
斩波器的工作方式有：
脉宽调制方式，频率调制方式和混合型。
脉宽调制方式较为通用。
当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。
美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。
日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。
1设计目的
直流斩波电路（DCChopper）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/DCConverter）。
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，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。
2设计任务与要求
2.1设计任务
要求设计降压斩波电路的主电路、控制电路、驱动及保护电路，稳压直流电源15V和直流电压100V的设计
2.2设计要求
对Buck降压电路的基本要求有以下几点：
1.输入直流电压：
Ud=100V
2.开关频率40KHz
3.输出电压范围50V~80V
4.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，动作电流：
6A
7.具有稳压功能
8.效率不低于70%
3设计内容
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。
3.1设计方案的选定与说明
3.2降压斩波电路
式中
为V处于通态的时间；
为V处于断态的时间；T为开关周期；
为导通占空比，简称占空比或导通比。
降压斩波电路的占空比小于1。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：
1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间
不变，称为PWM。
2）保持开关导通时间
不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3）
和T都可调，使占空比改变，称为混合型
但是普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。
3.3降压斩波电路主电路设计
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
。
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
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B
>100v的IGBT。
如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流
》10A，反向击穿电压
》200V的IGBT。
（3）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
>100v,I>5A的二极管。
考虑2倍的安全裕量：
=2
=200V
=1xIt=2x5=10A
（4）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=
（
—
）/2f
I。
设输出电压为80V，
则L=80x（100—80）/2x1000x40x100x5=0.04mH
所以电感L>=0.04mH，取L=0.1mH。
（5）电容选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，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=
（
—
）/8LΔ
ff
=80x（100—
这里取C=13uF。
（6）电阻R
因为输出电压为50V—80V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10Ω。
3.4降压斩波电路控制电路的设计
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。
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4SG3525的引脚
图5内部框图
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
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
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：
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。
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。
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
=1μF,
=10Ω,
=6.2Ω。
可得f=39.1kHz，基本上等于实际40kHz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
3.5驱动电路原理与设计
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1μs的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合
驱动电路的电路图如图7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μA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安电流，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。
3.6保护电路原理与设计
在电力电子电路中，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。
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50V—80V，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。
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端
图8过压保护电路原理图
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。
设计的过流保护电路如图9所示：
图9过电流保护原理电路图
IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。
一般认为IGBT要原因有两种：
一是IGBT退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是ＩＧＢＴ发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT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，IGBT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
先上一个台阶，以后因有
，
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，抑制了du/dt和过电压。
VD和R34的作用是在V关断时，给
提供释放储能的回路。
如图11所示：
图11IGBT保护电路
3.7设计稳压直流电源15V和直流电压100V
题目只给直流电压
=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，即可得到直流电压
=100V。
图12稳压15V电路
4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/10A
1个
续流二极管
IN414B
1个
电感
0.1mH
1个
电容
100uF/13uF/1uF/0.1uF
2/1/2/1个
二极管
IN4003
11个
金属膜电阻
20Ω/6.2Ω/10Ω/12Ω
3/1/3/1个
金属膜电阻
88.7Ω/500Ω/2K/1K
1/1/4/5个
金属膜电阻
19.1K/5.1K/95.3K/75K
1/2/1/1个
三极管
PNP型.NPN型
各1个
滑动变阻器
1K
1个
PWM控制器
SG3525
1片
光耦合器
6N136
2个
运算放大器
LM324
1片
三端集成稳压器件
7815
1个
或门
74LS32
1片
功率电阻
0.1Ω/60W
2个
变压器
220V/24V
1个
结束语
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）系统损耗的问题；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。
回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且培养了我的自学能力，特别是对PWM控制技术的学习。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
参考文献
[4]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.（1~4册）北京：
机械工业出版社,2001
[11]王水平.MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用.邮电出版社，2009
[12].Phillips，Signals,Systems,andTransforms（ThirdEdition），机械工业出版社
[13]Walrand.CommunicationNetworks—AFirstCourse.机械工业出版社，1999
[14]WhasL.Floyd，数字基础，科学出版社，2003.3
[15]Cales,DigitalImageProcessing.SecondEdition.北京电子工业出版社，2002
致谢
通过这次课程设计，让我学到了很多，使我对书本上的知识掌握得更加牢固，同时也使我了解到同学之间的合作和老师对我的帮助对完成任务的重要性。
在此，我十分感谢老师和同学在整个课设过程中给予我的帮助和鼓励，谢谢你们！
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