降压斩波电路Word文档下载推荐.docx

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3单元电路

3.1主电路

在电气设备或电力系统中，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（a）所示。

该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。

为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

（a）主电路

图2IGBT降压斩波电路主电路图及波形

3.1.1工作原理

如图2（b）中V的栅射电压UGE波形所示：

◇t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E,负载电流i0按指数曲线上升；

◇t=t1时刻V关断，二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流i0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；

至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。

3.1.2数量关系

当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2（b）所示。

负载电压的平均值为

式中，ton为V处于通态的时间;

toff为V处于断态的时间；

T为开关周期；

为导通占空比。

负载电流平均值为

若负载中L值较小，在T关断后，到了t2时刻，如图2（c）所示，，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。

电流断续时，u0平均值会被抬高，一般不希望出现。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：

1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（PWM控制方式）；

2）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制；

3）ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

其中PWM控制方式应用最多。

3.1.3全控型器件IGBT

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;

MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图3IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

如图3所示IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向门极电压消除沟道。

切断基极电流，使IGBT关断。

IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

3.1.4参数分析

主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：

（1）电源要求输入电压为100V。

（2）电阻因为当输出电压为50-80V时，假设输出电流为0.1-5A。

所以由欧姆定律：

可得负载电阻值为

，所以取电阻20欧姆。

（3）IGBT由图3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

=

，反向击穿电压

的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。

（4）二极管其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于5A，考虑2倍裕量，故需选择

，

的二极管。

（5）电感由上面所选的电阻20欧姆，根据欧姆定律：

当Uo=80V时，Iomax=4A;

当Uo=50V时，Iomin=2.5A;

根据电感电流连续时电感量临界值条件：

L=Uo*（Ud-Uo）/（2UdIo）

为了保证负载最小电流电路能够连续，取Io=2.5A来算，可得L=0.125mH，所以只要所取电感L>

0.125mH，取L=1mH。

（6）开关频率f=40kHz

（7）电容设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：

可得LC>

=0.195uH*F

取C=0.47mF

3.2控制电路

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。

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。

PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。

这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

IGBT降压斩波电路的控制电路采用控制芯片UC3525A为核心组成。

如图4所示，芯片的输入电压工作范围是8v到35v，这里选用了15v。

它的振荡频率可在100Hz到500kHz的范围内调节，本电路中将调至约18kHz，不产生噪音。

芯片的CT端和放电端（5脚和7脚）串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间，其软启动电路只需外部接一个软启动电容（即8脚所接电容）即可。

VD1，VD2连接后输出PWM控制信号。

图4IGBT降压斩波电路的控制电路

SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V基准电压调定在±

1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。

SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

各引脚具体功能（如图5所示）：

◇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。

◇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。

◇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与外电路同步

◇引脚4：

振荡器输出端。

图5UC3525A的引脚图

◇引脚5：

振荡器定时电容接入端。

◇引脚6：

振荡器定时电阻接入端。

◇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，形成放电回路。

◇引脚8：

软启动电容接入端。

◇引脚9：

PWM信号输入端。

◇引脚10：

外部关断信号输入端。

◇引脚11：

输出端A。

◇引脚12：

信号地。

◇引脚13：

输出级偏置电压接入端。

◇引脚14：

输出端B。

◇引脚15：

偏置电源接入端。

◇引脚16：

基准电源输出端。

芯片特点如下：

◇工作电压范围：

8-35v。

◇振荡器频率工作范围：

100Hz-500kHz。

◇死区时间可调。

◇内置软启动电路。

◇具有输入欠电压锁定功能。

◇具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。

◇逐个脉冲关断。

◇双路输出

3.3驱动电路

3.3.1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，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。

该部分主要需完成以下几个功能：

（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，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。

方案1：

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1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。

方案2：

采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。

但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。

通过以上比较，本系统对电压要求不高，为了比较方便和稳定性好，本课题设计选择方案１。

3.3.2驱动电路分析与设计

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。

简单的说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

驱动电路还要提供控制电路和主电路之间的电气隔离环节。

图6IGBT降压斩波电路的驱动电路示意图

如图6所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。

一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。

光隔离一般采用光耦合器。

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。

采用的光耦是TLP521-1。

为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。

TLP521-1的各引脚如图7所示。

图7TLP521-1

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A的充放电电流，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。

图8过压保护电路图

3.4过压保护和过流保护

（1）过压保护：

在主电路负载输出端并联串接的大电阻R20（100k）和R18（4k），将反馈电压降到3V左右，输入比较器C的正端，比较器的负端接给定电压，通过调节变阻器R17的值可以设定不同的给定电压值。

当3端的电压超过2端的给定电压值（即负载端发生过电压时），比较器输出正电压，二极管VD3导通，经电阻R21输入SG3525A的第10端。

当SG3525A的10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，从而使IGBT关断，输出电压降低。

这样一来，采样电压也就减小，当3端电压低于2端的给定电压时，比较器输低电平，二极管VD3截止，SG3525A的10脚为低电平，控制电路正常控制IGBT的关断。

其中，在R17、R18各个电阻两端并上电容，有助于消除比较器2端、3端因外部而产生的干扰。

（2）过流保护：

图10过流保护电路图1

方案1与过压保护类似，只是引入的电压时导线上的小电阻的电压，通过一个放大器A放大电压，再与基准电压比较，过流时VD2导通，关断信号输入到SG3525A的10端，使电路关断，不导通。

图11过流保护电路图2

为了使电路图简单安全，把过流保护电路接在控制电路核心芯片UC3525A的引脚2上。

如图8所示，晶体管Q1的发射极接芯片UC3525A的引脚2上。

该电路接晶体管，然后接误差放大器，并接电阻和电容，构成过流保护电路。

方案3：

图12　基于晶闸管的截止型过流保护电路

利用晶闸管和继电器来实现的过流保护电路，如图12所示。

图12中为了突出过流保护电路，三端可调集成稳压器LM317的应用电路采用了简化形式,设过流值为ILmax。

这保护电路的过流保护原理:

正常工作情况下,负载电流IL<

ILmax,检流电阻R上的电压VR=ILR;

有VR<

VGT（VGT是晶闸管SCR的控制极触发电压）,晶闸管SCR截止,稳压器LM317的输出电压通过继电器J供给负载RL,故稳压电源维持正常输出。

当负载过流或短路时,负载电流IL>

ILmax,则检流电阻R上的电压VR>

VGT,晶闸管SCR被触发导通,继电器J动作而切断了负载RL,从而达到过流保护的目的。

晶闸管属于记忆元件,一旦被触发导通,它将维持导通,因此保护状态被锁定。

此保护电路过流值ILmax=VGT/R。

改变检流电阻R大小可调节过流值ILmax的大小。

蜂鸣器和发光二极管LED起声光报警提示作用。

图中R4、C2的作用是防止在开机瞬间或切换量程时出现瞬时负载电流脉冲而导致晶闸管SCR被误触发;

R1、C1的作用是继电器J动作的加速电路;

二极管D是保护二极管,防止继电器J的线圈产生瞬时感应电压击穿晶闸管SCR。

另外,检流电阻R设置于整流滤波一侧,目的是防止检流电阻R影响稳压电源的输出内阻。

为了使电源能够脱离保护状态而恢复正常工作,可以采用2种方式:

（1）人工方式;

（2）自动方式。

此电路只能采用人工方式解除保护状态,即当电源进入保护状态后,只要按一下复位按钮AN后,晶闸管SCR又截止,电源重新恢复正常输出;

也可以重新开启电源而恢复正常输出。

本课题设计中用的过流保护是方案１，原因是与过压保护相对应，原理相同。

本系统中对IGBT管加了一个保护，如图13,并在主电路中加了一个熔断器。

图13　IGBT管保护电路图

４课程设计心得

此次课程设计，在短短一个半星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。

刚拿到课题题目的时候真的很茫然，主电路还好说，剩下的控制电路、驱动电路和保护电路只是了解的很少，这让我在设计过程中碰到很多问题，靠自己所学的知识根本解决不了，除了到图书馆借阅外，借鉴了很多网上资料，解决了这些问题，也学到了很多课本上没有的东西。

特别是protel软件的接触，使自己慢慢地从理论向应用中跨步。

通过这次课程设计，看到了自己的不足之处，同时也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，加强了自己的实际运用能力，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。

５电子元器件清单

器件名称

规格型号

数量（单位）

运算放大器

LT1228

3个

光耦合器

TLP521-1

1个

大电感

1mH

电解电容

100μF/5V

2个

4.7μF/5V

0.47mF/100V

22μF/10V

IGBT

200V/1A

电阻

600Ω，0.1Ω,9kΩ

各1个

2kΩ

5个

100kΩ,4kΩ

1个，2个

普通

1KΩ，10kΩ

各3个

芯片

SG3525

1块

滑动变阻器

10KΩ

二极管

IN4148

4个

电容

0.01μF，0.1μF

三极管

NPN,PNP

快速熔断器

6A/100V

反向二极管

IN4002

６总电路图

７参考文献

1．周克宁，《电力电子技术》北京：

机械工业出版社，2004；

2．黄家善，《电力电子技术》北京：

机械工业出版社；

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东南大学出版社，1999；

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6．叶斌《电力电子应用技术及装置》北京：

铁道出版社，1999；

7.王水平、贾静、方海燕等，《开关稳压电源原理及设计》北京：

人民邮电出版社2008；

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福建科学技术出版社2004。

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