直流斩波器毕业设计B5文档格式.docx
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直流调压、直流电机调速等。
三 毕业设计的工作步骤
１、实习、搜集资料；
２、选择设计方案，设计实体电路；
３、绘出装置电气框图（１＃图一张）；
４、绘制电气原理图（１＃图一张）；
５、编写毕业设计说明书. （１００００字左右）
四、主要参考书目
１、电子技术基础 康华光编
２、电力电子技术 黄家善连晗编
3、《电力电子应用电路》王文郁等编
五、上交时间
2010年4月。
一.直流斩波电路的设计总思路
1.1电路的总设计思路
直流降压斩波电路可分为三个部分电路块。
分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。
主电路模块，注要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。
的大小。
控制电路模块，可用SG3525来控制IGBT的开通与关断。
驱动电路模块，用来驱动IGBT。
1.2降压斩波主电路的原理图
1.3电路总框图
二.直流降压斩波电路主电路模块
2．1主电路模块原理
直流降压斩波主电路可使用一个全控器件IGBT控制导通。
用控制电路和驱动电路来控制IGBT的开断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压u。
=E，负载电流i。
按指数曲线上升。
当t=t1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u。
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，故串联L值较大的电感。
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
U0＝t1E/T=t1E/（t1+t2）=αE
Ton为IGBT处于通态的时间；
Toff为处于断态的时间；
T为开关周期；
α为导通占空比。
通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值U。
最大为E，若减小占空比α，则U。
随之减小。
2.2主电路图
三．控制电路模块
直流斩波电路的控制电路用SG3525来实现
3.1SG3525A脉宽调制器控制电路
3.1.1．SG3525简介
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。
·
工作范围为0V到30V
5.1V±
1.0％调定的基准电压
50Hz到300KHz振荡器频率
分立的振荡器同步脚
3.1.2．SG3525内部结构和工作特性
（1）基准电压调整器
基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。
它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。
若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。
（2）振荡器
3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。
RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。
把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。
这时3525A的振荡频率可表为：
fs=1/【CT（0.7RTG3RD）】
在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。
同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。
（3）误差放大器
误差放大器是差动输入的放大器。
它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。
该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。
3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。
这样避免了彼此相互影响。
有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。
（4）闭锁控制端10
利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。
（5）有软起动电路
比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。
该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。
达到2.5V所经的时间为
t=2.5VC8/50μA
点空比由小到大（50％）变化。
（6）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠
比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。
锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。
这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。
另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。
只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。
（7）增设欠压锁定电路
电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。
（8）输出级
由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。
组间是相互隔离的。
电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。
为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。
11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。
在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。
在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。
使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。
另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。
3.2SG3525构成的控制电路图
四.驱动电路模块
4.1驱动芯片EXB841的控制原理
下图为EXB841的驱动原理。
其主要有三个工作过程：
正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。
14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；
当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.1V的IGBT关断电压。
过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。
当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。
射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管Vz2决定。
作为IGBT的专用驱动芯片，EXB841有着很多优点，能够满足一般用户的要求。
但在大功率高压高频脉冲电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，其不足之处也显而易见。
4.2EXB841驱动电路图
直流降压斩波电路主要是通过调节控制电路中SG3525芯片2号脚外接的滑动变阻器的阻值，使电压发生变化，从而改变PWM的占空比，在将输出波形输入由EXB841组成的驱动电路传递给IGBT，控制IGBT的关断来实现输出电压u。
的调节。
所以在使用时只需调节滑动变阻器阻值大小就可以了。
五.直流斩波器及基本原理
一.什么叫直流斩波器？
直流斩波器（D.C.Chopper）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（DCtoDCConverter）已被被广泛使用，如直流电机的速度控制和直流电机的驱动、直流调压、直流电源的驱动和交换式电源供应器（Switching-Power-Supply）等。
二.直流斩波器的基本原理
直流斩波器是利用功率组件对固定电压的电源做适当的切割以达成改变负载两端电压的目的。
直流斩波器根据其输入和输出电压的大小可以分为降压式直流斩波器和升压式直流斩波器的两类。
若直流斩波器的输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式（Buck）直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式（Boost）直流斩波器。
下图所示为直流斩波器的基本原理图：
下图（a）所示为直流斩波器基本电路图，下图（b）所示为负载电压波形，可看出当直流斩波器导通（Ton）时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs；
当直流斩波器截止（Toff）时，负载端之电压Vo为0。
如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载侧，只要控制直流斩波器的导通时间，即可改变负载的平均电压。
由上图（b）可看出输出电压之峰值等于电源电压Vs，而输出电压之平均值Vo随Ton之时间而变。
而最常见的改变方式为
1.周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变（Pulse-widthModulationPWM）。
2.导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变（FrequencyModulationFM）。
3.周期T及导通时间Ton同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。
在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此多数采用脉波宽度调变。
其中VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管,C和L1构成振荡电路,它们与VD2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。
当接通电源时，C经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，此时VT1、VT2均不导通，当主脉冲到来时，VT1导通，电源电压将通过该晶闸管加到负载上。
当辅助脉冲到来时，VT2导通，C通过VT2、L1放电，然后反向充电，其电容的极性从+Ud0变为-Ud0，当充电电流下降到零时，VT2自行关断，此时VT1继续导通。
VT2关断后，电容C通过VD1及VT1反向放电，流过VT1的电流开始减小，当流过VT1的反向放电电流与负载电流相同的时候，VT1关断；
此时，电容C继续通过VD1、L2、VD2放电，然后经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，电源停止输出电流，等待下一个周期的触发脉冲到来。
VD3为续流二极管，为反电势负载提供放电回路。
从以上斩波器工作过程可知，控制VT2脉冲出现的时刻即可调节输出电压的脉宽,从而可达到调节输出直流电压的目的。
VT1、VT2的触发脉冲间隔由触发电路确定。
如下图所示，电阻R用D42三相可调电阻，用其中一个900Ω的电阻；
励磁电源和直流电压、电流表均在控制屏上。
六.基本直流斩波电路
一.基本直流斩波电路分类
基本直流斩波电路分为两种：
直流降压斩波电路和直流升压斩波电路。
一.基本直流斩波电路介绍
1.直流升压斩波电路
（1）直流升压斩波电路的基本原理
工作原理：
假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压Uo为恒值，记为Uo。
设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton。
V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。
设V断的时间为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，得：
输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
也称之为boost变换器。
直流升压斩波电路及其工作波形
a）电路图b）波形
（2）直流升压斩波电路的典型应用
直流升压斩波电路主要应用于直流电动机传动中。
用于直流电动机传动时，通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。
电机反电动势相当于下图中的电源，此时直流电源相当于下图中的负载。
由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
a）电路图b）电流连续时c）电流断续时
2.直流降压斩波电路
斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如下图中Em所示，为使io连续且脉动小，通常使L值较大。
降压斩波电路的原理图及波形
a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形
数量关系：
电流连续时，负载电压平均值
a——导通占空比，简称占空比或导通比
Uo最大为E，减小a，Uo随之减小——降压斩波电路。
也称为Buck变换器。
负载电流平均值
I=Ud/R
电流断续时，Uo平均值会被抬高，一般不希望出现。
斩波电路三种控制方式：
a脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton，应用最多。
b频率调制或调频型——ton不变，改变T。
c混合型——ton和T都可调，使占空比改变。
七.直流斩波器在电力传动中的应用
直流电动机是通过调节其电枢或励磁绕组的电压来达到调速目的的，前者一般叫调压调速，后者叫调磁调速。
直流电机所需的电能一般都来自交流电网，对其进行调速大致有两种方案：
其一是用可控整流电路（如晶闸管整流电路）得到可以调节的直流电压供给电动机；
另一种则是先用不可控整流电路对交流电进行整流，输出不可调的直流电压，然后通过直流斩波器进行直流调压。
降压型斩波器供电的直流电力拖动
降压型斩波器的电源端接不可调的直流电源，负载端接直流电动机，构成简单的直流调速系统
如下图所示：
在上图中，电子开关S、续流二极管VD、电感L组成降压型（Buck）斩波器，与另一个降压型斩波器原理图相比较，上图中没有滤波电容C，这是因为，电动机两端的电压Ud基本上等于电动机的旋转电动势E，而旋转电动势正比于电动机的转速，电动机的转子部分有很大的惯性，机械时间常数比斩波器电子开关的工作周期要大得多，在若干个斩波周期中转速不会产生明显的变化，所以转子的惯性本身就有良好的滤波作用，不必再加滤波电容。
电感周围的虚线框的意思是电动机的转子本身就有很大的电感，实际电路中是不是再外接电感要根据具体需要而定。
电动机的转子电路相当于一个电感、一个电阻和一个旋转电动势的串联，因此上图中（a）的等效电路如上图中（b）所示。
如果D为占空比，斩波器的输出电压Ud应满足
可以得出电动机的转子电流Id为
电动机稳定运行时，电子开关在一定的占空比下工作，Ud、E和Id均保持不变，转子电流产生的转矩恰好抵消负载的阻力矩。
在加速过程中，占空比增大，使得Ud增大，转子电流也随之增大，电动力矩大于阻力矩，电机加速运行，随着速度的上升，旋转电动势E也在增大，转子电流和电动力矩因之而减小，当电动力矩减小到又与负载的阻力矩相等时，电动机停止加速。
但是，这种电路不能控制电动机的减速。
如果欲使电动机减速，只能做以下处理。
减小占空比使Ud减小，转子电流Id也随之减小，电动力矩小于负载的阻力矩产生负的加速度；
或者Ud干脆小于E，电机在负载力矩的作用下减速。
由此可见，要想快速地制动只能采取能耗制动或摩擦制动等措施，使电机在较短的时间减速或停机。
并且电机的制动能量也不可能回馈到电网。
元器件一览表
符号
名称（作用）
R
电阻
E
电源电压
L
电感
Vo
负载电压
C
电容
Vs
V
晶体管
I1
充电电流
VD
二极管
Ud
输出电压
VS
稳压管
α
导通占空比
S
电子开关
Ton
导通时间
U0
负载电压平均值
Toff
断开时间
I
负载电流平均值
控制电路模块SG3525
控制IGBT的开通与关断
i0
输出电流
驱动电路模块驱动芯片EXB841
驱动IGBT
总结
经过一个多星期的努力和思考，查阅大量的资料，然后整理，分析，终于完成了毕业设计。
在这次设计的旅途中，虽看似荆棘密布，困难重重，实则蕴藏着无尽的宝藏。
它让我重新回忆起了以前的知识，更加深刻我理解它，能够系统的，全面的理解和灵活运用它，为掌握和理解更多更深层次的知识埋下了伏笔。
同时也充实了自己，在理论和实践相结合的道理上有了更深一步的领悟。
这是一次难得的机会；
这是一次知识的升华；
这是一次为实践创造价值的集中体现；
这也是一次个人能力的锻炼。
脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。
我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次深度的提升，也将对我未来的学习和工作提供了很大的帮助。
在次也衷心地感谢指导老师的悉心的指导和关怀。
参考文献
1.电子技术基础 康华光编
2.电力电子技术 黄家善连晗编
3.电力电子应用电路王文郁编
4.电力电子技术王廷才编
5.电力电子技术（电气运行与控制专业）
黄家善编
6.电力电子技术基础苏开心编
7.交直流调速控制系统（第二版）钱平编
8.电子技术实训王廷才编
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