电力电子及变频器直流降压斩波电路设计.docx
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电力电子及变频器直流降压斩波电路设计
电力电子与变频器
直流降压斩波电路设计
专业：
自动化
班级：
10306202
学生姓名：
廖先任
学号:
1030620230
指导教师：
胡开明、罗先喜
院系：
机械与电子工程学院
时间：
2013-11-27
摘要
直流-直流变流电路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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。
直接直流电变流电路也称斩波电路，它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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：
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，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。
利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
关键字：
直流斩波，降压斩波
一、课程目的
1、任务
2、目的
二、课程设计的总体要求
三、课程设计的任务
1、设计课题任务
2、功能要求说明
3、设计方案和设计原理
四、电路总体设计方案
1、直流电源设计
1.1设计原理
1.2参数计算
2、电路的设计
2.1IGBT驱动电路的设计
3、电路各元件的参数设定及元件型号选择
3.1各元件的参数设定
3.2元件型号选择
4、控制电路原理与设计
4.1控制电路方案选择
4.2控制电路工作原理
5、驱动电路原理与设计
5.1驱动电路方案选择
5.2驱动电路分析与设计
6、保护电路的原理与设计
6.1过电压保护
6.2过电流保护
五、系统仿真及结论
1、仿真软件的介绍
2、仿真电路及其仿真结果
3、仿真结果分析
六、心得体会
七、参考文献
附图：
降压斩波电路原理图
附表：
降压斩波电路元器件清单
一、课程目的
1、任务：
培养学生综合运用《模拟电子技术》《数字电子技术》《单片机原理与应用》《电力电子技术》和《变频器及其应用》所学知识分析、解决工程或科研实际问题的能力。
2、目的：
训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力；提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。
二、课程设计的总体要求
1、熟悉变流和触发电路的原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。
2、掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。
3、能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。
4、广泛收集相关技术资料。
鼓励有兴趣有条件的同学仿真和制作实物。
5、独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。
6、按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。
三、课程设计的任务
1、设计课题任务
设计一个直流降压斩波电路。
2、功能要求说明
将220V交流电压降压输出并且平均电压可调，范围为50-220V。
3、设计方案和设计原理
设计要求是输出电压Uo=50V-200V可调的DC/DC变换器，这里为降压斩波电路。
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：
四、电路总体设计方案
1、直流电源设计
1.1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，其原理框图如图2.1所示，其各电压波形如图2.2所示：
直流电源原理框图
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如表2.1所示：
表2.1小型变压器效率
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
1.2参数计算
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：
2.2
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。
2、电路的设计
2.1IGBT驱动电路的设计
IGBT的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器LM358产生矩形波。
图2.1LM358的引脚图
LM358简介：
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
描述：
运放类型:
低功率
放大器数目:
2
针脚数:
8
工作温度范围:
0°Cto-70°C
封装类型:
SOIC
-3dB带宽增益乘积:
1.1MHz
变化斜率:
0.6V/μs
器件标号:
358
电源电压最大:
32V
电源电压最小:
3V
安装器件:
表面安装
图2.2比较器产生方波电路图
其中2、3口是输入口4、6接直流电源电压1为输出口。
3、电路各元件的参数设定及元件型号选择
3.1各元件的参数设定
1.IGBT的参数设定
图3.1IGBT的简化等效电路以及电气图形符号
术语
符号
定义及说明（测定条件参改说明书）
集电极、发射极间电压
VCES
栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压
栅极发极间电压
VGES
集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压
集电极电流
IC
集电极所允许的最大直流电流
耗散功率
PC
单个IGBT所允许的最大耗散功率
结温
Tj
元件连续工作时芯片温厦
关断电流
ICES
栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。
表3.1IGBT模块的术语及其说明
图3.2降压斩波电路电路图
图3.3降压斩波总电路图
由图3.2所示此次设计的电源电压为220V，当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为电源电压，因此UCE=220V。
图3.4IGBT的转移特性和输出特性
UGE（th）随温度的升高略有下降，温度每升高1°C，其值下降5mV左右。
在+25°C时，UGE（th）的值一般为2-6V。
参考电力电子技术课本可得：
式3.1
式3.2
式中，；；。
若取为10，则：
2.续流二极管VD的参数设定
VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通是的电源电压100V。
所承受的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流，此电流为。
3.电感的参数设定
由于电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择L的值为1。
3.2元件型号选择
考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440-660.额定电流33-44，二极管VD与其类似，VD的最大反向电压为220。
选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600，额定电流为40。
选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其而定电压为600，额定电流为25。
4、控制电路原理与设计
4.1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。
图4.1SG3525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。
4.2控制电路工作原理
由于SG3525的振荡频率可表示为：
4.1
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。
图4.2控制电路部分电路图
SG3525有过流保护的功能，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，如图4.2所示。
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11、14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。
5、驱动电路原理与设计
5.1驱动电路方案选择
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部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：
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
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