直流降压斩波电路的设计.docx
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直流降压斩波电路的设计
直流降压斩波电路的设计
摘要:
本实验设计的是Buck降压斩波电路,采用全控型器件IGBT。
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。
关键词:
降压斩波,主电路、控制电路、驱动及保护电路。
引言:
直流传动是斩波电路应用的传统领域,而开关电源则是斩波电路应用的新领域,是电力电子领域的一大热点。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
直流变换电路的用途非常广泛,包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正,以及用于其他领域的交直流电源。
斩波器的工作方式有:
脉宽调制方式,频率调制方式和混合型。
脉宽调制方式较为通用。
当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。
美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器,最大输出功率有300W、600W、800W等,相应得功率密度为(6.2、10、17)W/cm3,效率为(80—90)%。
日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
1设计目的
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,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。
2设计任务与要求
2.1设计任务
要求设计降压斩波电路的主电路、控制电路、驱动及保护电路,稳压直流电源15V和直流电压100V的设计
2.2设计要求
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设计内容
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。
3.1设计方案的选定与说明
3.2降压斩波电路
3.2.1降压斩波电路原理
式中
为V处于通态的时间;
为V处于断态的时间;T为开关周期;
为导通占空比,简称占空比或导通比。
降压斩波电路的占空比小于1。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路有三种控制方式:
1)保持开关周期T不变,调节开关导通时间
不变,称为PWM。
2)保持开关导通时间
不变,改变开关周期T,称为频率调制或调频型。
3)
和T都可调,使占空比改变,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。
3.3降压斩波电路主电路设计
3.3.1BUCK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
。
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
3.3.2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B
>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
》200V的IGBT。
(3)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
>100v,I>5A的二极管。
考虑2倍的安全裕量:
=2
=200V
=1xIt=2x5=10A
(4)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=
(
—
)/2f
I。
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。
(5)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=
(
—
)/8LΔ
ff
=80x(100—80)/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF
这里取C=13uF。
(6)电阻R
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。
3.4降压斩波电路控制电路的设计
3.4.1控制电路及器件选择
3.4.1.1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。
3.4.1.2SG3525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
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
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
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。
SG3525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,11和14脚的电压变为10输出。
3.4.2控制电路原理
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。
根据任务要求需要频率为40kHz,所以由上式可取
=1μF,
=10Ω,
=6.2Ω。
可得f=39.1kHz,基本上等于实际40kHz即满足要求。
SG3525有保护的功能,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。
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13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。
由此可以得出控制电路的电路图如图6所示:
图6控制电路图
3.5驱动电路原理与设计
3.5.1本实验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1μs的时间滞后,不适应于某些要求比较高的场合
3.5.2驱动电路工作分析:
驱动电路的电路图如图7所示:
接IGBT源极
接IGBT栅极
PWM调制
图7驱动电路原理图
如图7所示,IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。
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。
采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高,约为12V左右,而SG3525芯片提供的电压只有5V左右,直接连入无法驱动IGBT。
并且推挽式电路简单实用,故用推挽式进行电压放大。
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安电流,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。
3.6保护电路原理与设计
在电力电子电路中,除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外,采用合适的过电压、过电流、
保护和
保护也是必要的。
3.6.1过电压保护电路:
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,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。
本次设计的电路要求输出电压为50V—80V,所以当输出电压设定时,一旦出现过电压,为了保护电路和器件,应立刻将电路断开,及关断IGBT的脉冲,使电路停