直流斩波电路的设计Word格式文档下载.docx

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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。