降压斩波电路的设计.docx

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降压斩波电路的设计

电力电子技术课程设计报告

课题：

降压斩波电路的设计

姓名：

学号：

班级：

指导老师：

日期：

2009年5月

目录

一．引言

二．正文

1降压斩波电路的设计目的

2降压斩波电路的设计内容及要求

3降压斩波电路主电路基本原理

4IGBT驱动电路

4.1IGBT简介

4.2IGBT基本结构与特点

4.3驱动电路设计方案比较

4.4IGBT驱动电路原理图

4.5IGBT的驱动性能

5保护电路的设计

6MATLAB仿真

6.1MATLAB简介

6.2MATLAB发展历程

6.3主电路仿真

7心得体会

三．参考文献

一引言

高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。

它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。

BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

二正文

1降压斩波电路的设计目的

（1）通过对降压斩波电路（buckchopper）的设计，掌握buckchopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行buckchopper电路和系统设计的能力。

（2）了解与熟悉buckchopper电路拓扑、控制方法。

（3）理解和掌握buckchopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

（4）具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

2降压斩波电路的设计内容及要求

1）设计内容:

对BuckChopper电路的主电路和控制电路进行设计，参数如下：

直流电压E＝200V，负载中R＝10，L值极大,反电动式E1＝30V。

2）设计要求

（a）理论设计

了解掌握BuckChopper电路的工作原理，设计BuckChopper电路的主电路和控制电路。

包括：

IGBT电流,电压额定的选择

驱动,保护电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

列出主电路所用元器件的明细表

（b）仿真实验

利用MATLAB仿真软件对BuckChopper电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验

（c）实际制作

利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印制电路板。

最后完成系统电路的组装，调试。

3降压斩波电路主电路基本原理

降压斩波电路主电路原理图如图1所示

图1降压斩波电路主电路原理图

t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。

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。

当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2

所示，负载电压的平均值为：

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。

负载电流的平均值为：

若负载中L值较小，则在V关断后，到了时刻，如图3所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

由波形可见，负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

4IGBT驱动电路

1）IGBT的栅极驱动

（a）栅极驱动电路对IGBT的影响

正向驱动电压+V增加时，IGBT输出级晶体管的导

通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V值越高越

好。

IGBT在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于

IGBT的快速关断。

栅极驱动电路最好有对IGBT的完整

保护能力。

为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的

误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且

不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。

（b）IGBT栅极驱动电路应满足的条件

栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。

在

IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电

压和电流要具有足够的幅度。

栅极驱动电路的输出

阻抗应尽可能地低。

栅极驱动条件与IGBT的特性

密切相关。

设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。

2）IGBT驱动电路

IGBT驱动电路主要有3种典型的电路

（a）阻尼滤波门极驱动电路

为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网

络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。

（b）光耦合器门极驱动电路

驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源内

阻，同时加速IGBT的关断过程。

（c）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路

由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了

电源结构。

在这里采用光耦合门极驱动电路，如图4所示

图4光耦合门极驱动电路

5主电路的保护电路设计

1）过电压保护

所谓过电压保护，即指流过IGBT两端的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。

产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。

其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。

其电路如图5所示

图5过电压保护电路

2）过电流保护

所谓过电流保护，即指流过IGBT的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值Im都称为过电流。

这里采用图6所示的电路

图6过电流保护电路

3）IGBT的保护

（a）静电保护IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。

防静电保护极为必要。

在静电较强的场合，MOSFET容易静电击穿，造成栅源短路。

采用以下方法进行保护：

应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。

取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。

工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。

在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。

（b）过电流保护

IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法，电路如图7所示

图7集射极电压状态识别保护电路

（c）短路保护

图8短路保护电路

4）缓冲电路缓冲电路（吸收电路）的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。

这里采用由RLC组成的电路来吸收电压、电流，如图9

图9缓冲电路

6MATLAB仿真

1）按原理图在MATLAB中搭建模块，搭建好的模型图如下

图10MATLAB仿真图

2）按设计要求设定参数

（a）直流电压E＝200V，即将DCVoltageSource中的值设为200V，设定如图11所示

图11电压参数设定图

（b）电阻R＝10,电感L的值极大，即将R_load和L_load分别设定为10和2mh，设定如图12所示

图12电阻电感设定图

（c）IGBT的参数设定如图13所示

图13IGBT的参数设定图

（d）示波器（scope）的参数设定如图14所示

图14示波器（scope）的参数设定图

3）调试与结果分析

逐步改变其占空比进行调试，运行可得如下结果（E＝200V）

（a）设定＝1%，得出输出电流，和电压及其波形如图15所示

图15＝1%时和波形

（b）设定＝20%，得出输出电流和电压及其波形如图16所示

图16＝20%时和波形

（c）设定＝40%，得出输出电流，和电压及其波形如图17所示

图17＝40%时和波形

（d）设定＝60%，得出输出电流和电压及其波形如图18所示

图18＝60%时和波形

（e）设定＝80%，得出输出电流和电压及其波形如图19所示

图19＝80%时和波形

（f）设定＝99%，得出输出电流和电压及其波形如图20所示

图20＝99%时和波形

当设定＝20%，逐不改变其L，分别得出输出电流和电压及其波形。

（a）设定L=5h，得出输出电流和电压及其波形如图21所示

图21L=5h时和波形

（b）设定L=3h，得出输出电流和电压及其波形如图22所示

图22L=3h时和波形

（c）设定L=2h，得出输出电流和电压及其波形如图23所示

图23L=2h时和波形

（d）设定L=1.5h，得出输出电流和电压及其波形如图24所示

图24L=1.5h时和波形

（e）设定L=1h，得出输出电流和电压及其波形如图25所示

图25L=1h时和波形

（f）设定L=0.5h，得出输出电流和电压及其波形如图26所示

图26L=0.5h时和波形

（g）设定L=0.05h，得出输出电流和电压及其波形如图27所示

图27L=0.05h时和波形

7心得体会

这次的课程设计是我收获比较大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但易灵芝老师的指导，问题被我基本上解决了。

做课程设计比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。

但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要一定的耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。

当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们的指导以及平时灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计。

三参考文献

【1】孙树朴等.电力电子技术（第一版）.徐州：

中国矿业大学出版社.1999

【2】邵丙衡.电力电子技术（第一版）.北京:

铁道出版社.1997

【3】王兆安、黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：

机械工业出版社.2008

【4】张立.现代电力电子技术（第一版）.北京：

科学出版社.1995

【5】周明宝.电力电子技术（第一版）.北京：

机械工业出版社.1997

【6】叶斌.电力电子技术习题集（第一版）.北京：

铁道出版社.1995

【7】林渭勋.现代电力电子电路（第二版）.杭州：

浙江大学出版社.2002

【8】赵良炳.现代电力电子技术基础（第一版）.北京：

清华大出版社.1995