降压斩波电路设计.docx
《降压斩波电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《降压斩波电路设计.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
降压斩波电路设计
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MOSFE与
GTR的复合器件。
它既有MOSFE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MOSFE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
BUCK笔压斩波主电路：
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
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u°=E,负载电流io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t匕时刻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Vd续流，负载电压Uo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,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；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Uo最大为E,若减小占空比a，则Uo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。
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Ic>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Ic》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=所以电感L>=,取L=。
（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=UO（Ud—UQ/8L△UcffUd
=80x（100—80）/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10Q。
5.控制电路原理与设计：
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PWh发生芯片来控制。
因为斩波电路有三种控制方式，又因为PW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空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PW嗷生芯片来进行连续控制。
对于PW嗷生芯片，我选用了SG3525芯片，它是一款专用的PWMI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PWNfe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
眈縮扎匚
1
L&
二|
即W丸匚
2
15
A
同歩瑞匚
工
14
□WE
标覷箸吐匚
斗
L3
A.BfrC
ctH
5
12
二1地
FT匚
6
L1
二］仆
牍电冷匚
7
LQ
二1闭倔控制
畝启动瑞匚
a
9
二Ul■世
图5内部框图
SG3525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&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。
SG3525芯片特点如下：
（1）工作电压范围：
8-35v。
（2）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PWN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PWMH号。
脚&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
升级会员 