降压斩波变换技术的工程应用Word文档格式.docx

降压斩波变换技术的工程应用Word文档格式.docx

《降压斩波变换技术的工程应用Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《降压斩波变换技术的工程应用Word文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

6.3参数分析…………………………………………………………………………………11

七、总结……………………………………………………………………………………11

八、参考文献……………………………………………………………………………12

一、引言

随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。

电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率向发展。

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。

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。

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与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，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围，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。

GBT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。

二、设计任务

2.1.1课程设计目的

1、培养文献检索的能力，特别是如利用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。

2.1.2设计的步骤

⑴根据给出的技术要求，确定总体设计案

⑵选择具体的元件，进行系统的设计

⑶进行相应的电路设计，完成相应的功能

⑷进行调试与修改

⑸撰写课程设计说明书

三、设计案选择及论证

斩波电路有三种控制式

（1）脉冲宽度调制（PWM）：

开关期T不变，改变开关导通时间Ton。

（2）频率调制：

开关导通时间不变，改变开关期T。

（3）混合型：

开关导通时间和开关期T都可控，改变占空比。

本次设计采用的是脉宽调制的法，开关选用全控型器件IGBT，它集中了电力MOSFET和GTR的优点。

四、总体电路设计

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降压斩波电路结构框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生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开关控制端，可以使其开通或关断的信号。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。

控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

五、各功能模块电路设计

5.1控制电路设计

5.1.1驱动电路案选择

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的目的。

因为斩波电路有三种控制式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制式来控制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。

图4.1SG3525引脚图

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，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案，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。

5.1.2工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为：

式中:

分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；

是与脚7相连的放电端电阻值。

根据需求需要频率为40kHz，所以由上式可取

=0.01μF,

=

=

。

可得f=40kHz，满足要求。

图4.2控制电路

SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。

因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图4.2所示10端外接过压过流保护电路。

当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。

SG3525还有稳压作用。

1端接芯片置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。

调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V围。

5.2驱动电路设计

5.2.1驱动电路案选择

IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。

因此需要信号放大的电路。

另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。

因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。

对驱动电路进行以下设计。

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。

5.2.2工作原理

图5.2驱动电路

如图5.2所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。

本电路中采用的隔离法是，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。

原理：

控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。

5.3保护电路设计

5.3.1过压保护电路

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。

5.3.2主电路器件保护

当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1.1所示。

图6.1.1RC阻容过电压保护电路图

5.3.3负载过压保护

如图6.1.1所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。

如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。

电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。

图6.1.2负载过压保护

5.3.4过流保护电路

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。

由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

过流保护的法比较多，比较简单的法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。

如图1在主电路串接一个快速熔断丝。

还有一种法如图6.2所示，也是利用控制电路芯片的第10端。

在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。

电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：

Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即1+R12/R10=10,所以取R12=9K，R10=1K。

放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。

图6.2过流保护电路

六、总体电路

6.1主电路案

根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。

这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个案是较为简单的案，直接进行直直变换简化了电路结构。

而另一种案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种案把本该简单的电路复杂化，不可取。

至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

6.2工作原理

根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2所示：

图2主电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。

用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，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所示：

图3降压电路波形图

当

时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管

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，故串联L值较大的电感。

至一个期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一期的过程。

当电力工作于稳态时负载电流在一个期的初值和终值相等，负载电压的平均值为

为IGBT处于通态的时间；

为处于断态的时间；

T为开关期；

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

最大为E，若减小占空比α，则

随之减小。

由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

6.3参数分析

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

七、总结

经过电力电子课程学习，真的是获益不少。

当看到这个任务书的时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了。

于是拿起了课题认真的看了看，结果发现一头雾水，就大概知道一个主电路而已。

而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事，只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的部是怎么接线的。

于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了IGBT降压斩波电路主电路的设计，在PWM控制技术那一章中掌握了控制电路的设计。

经过学习，不仅让我加深了很多课本上的知识，也让我懂得了很多其它的。

对于仿真，首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常见的器件。

还有一些元件的元件库也没有加载，因为不知道那些元件属于哪个元件库……感觉真的好麻烦啊，后来经过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。

以前课本上所学的东西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如使你设计出来的电路是最简单的，最容易实现的；

所用的器件应该用什么型号的才合适等等，都是需要我们在设计过程中要好好考虑的。

八、参考文献

1．黄家善，《电力电子技术》北京：

机械工业出版社；

2．克宁，《电力电子技术》北京：

机械工业出版社，2004；

3．兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。

北京：

机械工业出版社，2000；

4．宏，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》（1～4册）北京：

机械工业出版社，2001；

5．玉、栗书贤，《电力电子技术题例与电路设计指导》北京：

6．叶斌《电力电子应用技术及装置》北京：

铁道出版社，1999；

7．维平，《现代电力电子技术及应用》：

东南大学出版社，1999；