直流斩波电路的设计Word格式文档下载.docx
《直流斩波电路的设计Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《直流斩波电路的设计Word格式文档下载.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![直流斩波电路的设计Word格式文档下载.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2022-10/28/70842b45-3b91-4e06-9ae5-fc46934be2df/70842b45-3b91-4e06-9ae5-fc46934be2df1.gif)
五、各功能电路模块的设计6
(一)直流电源设计6
(二)参数计算6
(三)控制电路原理与设计6
(四)驱动电路原理与设计6
(五)保护电路的原理与设计6
六、总体电路的设计6
七、总结6
参考文献6
一、引言
直流斩波器(DCChopper)又称为截波器,它是将电压值固定的直流电,转换为电压值可变的直流电源装置,是一种直流对直流的转换器(DC/DCConverter)已被被广泛使用,如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。
直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为DC/DC变换。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式,Ts(周期)不变,改变Ton(通用,Ton为开关每次接通的时间),二是频率调制方式,Ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
其具体的电路由以下几类:
1、降压斩波器:
(BuckChopper电路),其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同。
2、升压斩波器:
(BoostChopper电路),其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同
3、降压或升压斩波器(Buck-BoostChopper电路)
4、降压或升压斩波器(CukChopper电路)
5、Sepic斩波电路
6、Zeta斩波电路,其中前两种是最基本的电路。
复合斩波电路——不同基本斩波电路组合
多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合
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,前者的应用是逐渐萎缩,而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣,是电力电子领域的一大热点。
用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。
直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm^3,效率为(80-90)%。
日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200-300)kHz,功率密度已达到27W/cm^3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。
二、设计任务
(一)课程设计的目的:
1.熟悉降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理
2.掌握两种基本斩波电路的工作状态
3.了解电路图的波形情况
(二)课程设计的主要内容
1.设计题目
2.设计步骤
(1)根据给出的技术要求
(2)确定总体设计方案选择具体的元件
(3)进行硬件系统的设计
(4)进行相应的电路设计,完成相应的功能进行调试与修改
(5)撰写课程设计说明书
3.设计方法
直流斩波电路(DCChopper)的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电,也称为直流-直流变换器(DC/DCConverter),直流斩波电路(DCChopper)一般是指直接将直流变成直流的情况,不包括直流-交流-直流的情况;
直流斩波电路的种类很多,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,Zeta斩波电路,前两种是最基本电路。
主要包括:
1压斩波电路的设计
2压斩波电路的设计
3流供电电源
⑷控制和驱动电路
三、设计方案选择及论证
由于这些电路中都需要直流电源,所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。
IGBT的通断用PWM控制,用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。
降压斩波主电路原理图如图1.1所示:
图1.1降压斩波主电路的原理图
接通控制电路电源,用示波器分别观察锯齿波和PWM信号的波形(实验装置应给出测量端,位置在图中已标出),记录其波形、频率和幅值。
调节Ur的大小,观察PWM信号的变化情况。
斩波电路的输入直流电压ui由低压单相交流电源经单相桥式二极管整流及电感电容滤波后得到。
接通交流电源,观察ui波形,记录其平均值。
斩波电路的主电路包括降压斩波电路和升压斩波电路两种,电路中使用的器件为电力MOSFET,注意观察其型号、外形等。
切断各处电源,将直流电源ui与升压斩波主电路连接,断开降压斩波主电路。
检查接线正确后,接通主电路和控制电路的电源。
改变ur值,每改变一次ur,分别观测PWM信号的波形、电力MOSFETV的栅源电压波形、输出电压uo的波形、输出电流io的波形,记录的PWM信号占空比a,ui、uo的平均值Ui和Uo。
降压斩波电路
1)工作原理
t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升。
t=t1时控制V关断,二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
2)数量关系
负载电压平均值:
ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比
负载电流平均值:
升压斩波电路
假设L和C值很大。
V处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。
V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
设V断态的时间为toff,则此期间电感L释放能量为稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等:
T/toff>
1,输出电压高于电源电压,故为升压斩波电路
T/toff---升压比;
升压比的倒数记作β,即β=toff/T
Β和α的关系:
α+β=1
因此可表示为Uo=E/β=E/(1-α)
电压升高得原因:
电感L储能使电压泵升的作用
电容C可将输出电压保持住
四、总体电路设计
常规升压斩波电路分析
输入的单相正弦波电压经桥式整流后变成脉动的直流,在控制电压的作用下,当高频开关元件IGBT处于通态时,设导通时间为,电压向电感L充电,因开关频率较高,充电电流基本恒定,设为;
同时电容C上的电压向负载供电,因值很大,基本保持输出电压为恒值。
当IGBT处于关断状态时,设关断时间为,电感L将向负载释放能量,当电路工作于稳态时,1个开关周期T内依能量相等原则可有:
即
因,故,即通过调节开关频率可以实现升压的要求。
设输入电压,升压比α=U0/U2,因为开关频率远大于电源电压的变化频率,可认为在开关周期T内,电源电压几乎不变,故可绘出输入电流的变化曲线
输入电流随开关频率的变化曲线
输入电流i2的变化规律可表示如下:
边值条件可由,求得
式中为开关元件的导通比。
由于电感的续流,实际输入电流的变化规律更接近于输入电流的平均值,即
通过调节开关频率即导通比D可调节升压比,即输出电压的大小.但输入电流将随D的变小而出现断续状态,其临界条件可由求得:
即只有当IGBT的导通比D小于时才能使输入电流连续.经过分析可以得到以下结论:
(1)因为只有大于1电路才能工作,所以该电路只能用于升压斩波;
(2)当D=0.5,即IGBT开关时间相同时,临界升压比,如升压比小于2,将使输入电流出现断续,呈尖顶波状,含有大量高次谐波;
(3)如升压比大于2,此时D=0.5,虽可使电流连续,但需要的电感量将增加。
五、各功能模块电路设计
(一)直流电源设计
1.设计原理
小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成,其原理框图
直流电源波形图
电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。
电源变压器的效率为:
,其中:
是变压器副边的功率,是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率下所示:
因此,当算出了副边功率后,就可以根据上表算出原边功率。
在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。
滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。
与交流电压的有效值的关系为:
;
在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为:
流过每只二极管的平均电流为:
2.1
(二)参数计算
根据滤波电路的输出电压UI,确定电源变压器副边电压的有效值;
根据滤波电路的最大输出电流,确定流过电源变压器副边的电流和电源变压器副边的功率;
根据,从表2.1查出变压器的效率η,从而确定电源变压器原边的功率。
然后根据所确定的参数,选择电源变压器。
确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。
依据上述设计步骤,对本次课程的直流电源进行设计,输出电压为。
最大输出电流假设为1A,则由可知:
变压器副边电流:
因此,变压器副边输出功率:
。
由于变压器的效率,变压器原边输入功率
,所以选用功率为300W的变压器。
再选用整流二极管和滤波电容,由于:
,
IN4004的反向击穿电压,额定工作电流,故整流二极管选用IN4004。
由于电路对纹波无要求,而电容的耐压要大于,故滤波电容C取容量为500μF,耐压为300V的电解电容。
(三)控制电路原理与设计
1.控制电路方案选择
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,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。
SG3525引脚图
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,其引脚图如图4.1所示,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。
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。
2.控制电路工作原理
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50kHz,所以由上式可取
=1μF,=,=。
可得f=49.02kHz,基本满足要求。