降压斩波电路设计(1)1.doc
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1绪论
电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。
开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。
伴随着人们对开关电源的进一步升级,低电压,大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻,薄,小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小,重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
直流斩波电路(DCChopper)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,也称为直接直流—直流变换器(DC/DCConverter)。
直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况,不包括直流—交流—直流的情况,直流斩波电路的种类较多,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斩波电路和Zeta斩波电路。
其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路,是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路,用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与GTR的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点,输入阻抗高,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十千赫兹频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动,电压、电流容量大的优点,因此发展很快。
直流降压斩波电路主要分为三个部分,分别为主电路模块,控制电路模块,驱动电路模块,除了上述主要模块之外,还必须考虑电路中电力电子器件的保护,以及控制电路与主电路的电气隔离。
IGBT降压斩波电路由于易驱动,电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景,也由于开关电源向低电压,大电流和高效率发展的趋势,促进了IGBT降压斩波电路的发展。
但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:
(1)系统损耗的问;2)栅极电阻;(3)驱动电路实现过流过压保护的问题。
此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生,由于它简单可靠及使用方便灵活,大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
二.课程设计
1.降压斩波电路的设计目的
(1)培养文献检索的能力,特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
(2)培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
(3)培养运用知识的能力和工程设计的能力。
(4)提高课程设计报告撰写水平。
2.降压斩波电路设计的基本要求
对Buck降压电路的基本要求有以下几点:
1.输入直流电压:
Ud=100V
2.开关频率40KHz
3.输出电压范围50V~80V
4.输出电压纹波:
小于1%
5.最大输出电流:
5A(在额定负载下)
6.具有过流保护功能,动作电流:
6A
7.具有稳压功能
8.效率不低于70%
3.总体电路框图
电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。
来完成整个系统的功能。
因此,一个完整的降压斩波电路也应包括主电路,控制电路,驱动电路和保护电路这些环节。
根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路,设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。
图1电路框图
在图1结构框图中,控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号,控制电路产生的控制信号传到驱动电路,驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。
通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。
保护电路是用来保护电路的,防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。
4降压斩波主电路的设计
4.1BUCK降压斩波主电路:
在电力系统中,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所示。
它是一种降压型变换器,其输出电压平均值U,总是小于输入电压Ud。
该电路使用一个全控型器件V,为IGBT。
在V关断时,为了给负载中电感电流提供通道,设置了续流二极管VD。
图2降压斩波主电路图
4.2电路工作原理分析:
直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。
用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。
当t=0时,V管被激励趋于导通,VD管要承受反压。
在V管接通的t1时间内,开关管V流过的电流就是电感电流,电感L中电流直线上升,能量存储于电感中。
电源E向负载供电,负载电压=E,负载电流按指数曲线上升。
电路工作时波形图如图3(b)所示:
图3电路工作时的电流波形图
当时刻V管关断,由于电感储能作用,电感电流必须要按某一路径流通,能量要释放。
其中二极管VD势必导通,电感电流可通过负载,VD形成通电回路。
电流经二极管续流,负载电压近似为零,负载电流指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小,故应串联较大的电感L。
(2)
至一个周期T结束,再驱动IGBT导通,重复上一周期的过程。
当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等,负载电压的平均值为U.=KE,为IGBT处于通态的时间;为处于断态的时间;T为开关周期;K为导通占空比。
通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E,若减小占空比α,则随之减小。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,可分为三种工作方式:
1)保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T,称为频率调制工作方式;
2)保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton,称为脉冲宽调制工作方式;
3)开关导通时间ton和开关周期T都可调,称为混合型。
但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。
因为采用频率调制工作方式,容易产生谐波干扰,而且滤波器设计也比较困难。
此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。
4.3主电路元器件参数选择:
主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值,其参数选择如下说明:
(1)对于电源,因为题目要求输入直流电压为100V,所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。
(2)IGBT由图2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>5A,反向击穿电压Bvceo>100v的IGBT。
如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流》10A,反向击穿电压Bvceo》200V的IGBT。
(4)二极管当=1时,其承受最大反压100V;而当趋近于1时,其承受最大电流趋近于5A,故需选择Vc>100v,I>5A的二极管。
考虑2倍的安全裕量:
Umin=2Xu1=200VImin=1xIt=2x5=10A
(5)电感选择大电感L,使得电路能够续流,此时的临界电感为:
L=U0(Ud—U0)/2fUdI。
设输出电压为80V,则L=80x(100—80)/2x1000x40x100x5=0.04mH所以电感L>=0.04mH,取L=0.1mH。
(6)电容选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%,也不能取的太大,否则会使电路的速度变得很慢。
电容的选择:
也取输出电压为80V时来算
C=U0(Ud—U0)/8LΔUcffUd
=80x(100—80)/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF
这里取C=13uF。
(7)电阻RL因为输出电压为50V—80V时,而输出的最大电流为5A。
所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在10Ω。
5.控制电路原理与设计:
5.1控制电路方案比较及选择:
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。
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。
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.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,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。
SG3525是定频PWM电路,采用16引脚标准DIP封装。
其各引脚功能如图4所示,内部框图如图5所示。
图4SG3525的引脚
图5内部框图
5.2SG3525各引脚具体功能:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)引脚4:
振荡器输出端。
(5)引脚5:
振荡器定时电容接入端。
(6)引脚6:
振荡器定时电阻接入端。
(7)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。
(8)引脚8:
软启动电容接入端。
(9)引脚9:
PWM信号输入端。
(10)引脚10:
外部关断信号输入端。
(11)引脚11:
输出端A。
(12)引脚12:
信号地。
(13)引脚13:
输出级偏置电压接入端。
(14)引脚14:
输出端B。
(15)引脚15:
偏置电源接入端。
(16)引脚16:
基准电源输出端。
5.3SG3525芯片特点如下:
(1)工作电压范围:
8-35v。
(2)5.1V微调基准电源
(3)振荡器频率工作范围:
100Hz-500kHz。
(4)具有振荡器外部同步功能
(5)死区时间可调。
(6)内置软启动电路。
(7)具有输入欠电压锁定功能。
(8)具有PWM锁存功能,禁止多脉冲。
(9)逐个脉冲关断。
(10)双路输出(灌电流/拉电流):
Ma(峰值)
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