完整word版降压斩波电路设计.docx
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完整word版降压斩波电路设计
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,11和14脚的电压变为10输出。
5.4控制电路原理分析:
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
其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。
6驱动电路原理与设计
6.1驱动电路方案设计与选择:
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁,该部分主要完成以下几个功能:
(1)提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断;
(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通;(3)尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率;(4)足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘;(5)具有灵敏的过流保护能力。
针对以上几个要求,对驱动电路进行以下设计。
针对驱动电路的隔离方式:
(1)采用磁耦隔离,最常用的是用时变压器隔离,即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开,从而取到电气隔离的作用。
这种方法的优点是简单,不需要外接电源对器件进行驱动,且传递的效率很高。
但同时缺点也很明显,首先磁耦隔离只能用于交流电路,直流电路无效,其次变压器的体积较大,不利于集成。
(2)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。
(11)
由于这次设计的电路是直流电路,且要求不是很高,所以选择光耦隔离。
6.2驱动电路工作分析:
驱动电路的电路图如图5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A的充放电电流,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。
7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。
7.1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,使电路停止工作。
因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端,所以可以利用SG3525的这个特点进行过压保护。
当引脚10端输入的电压等于或超过8V时,芯片将立刻锁死,输出脉冲将立即断开。
所以可以从输出电压中进行电压取样,并将取样电压通过比较器输入10端,从而实现电压保护。
如图6所示:
取样电压的方法是在U。
端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端,与连入负端的基准电压(5V)进行比较。
正常状态下,取样电压小于基准电压,此时比较器输出的是负的最大值,芯片正常工作,当出现过电压是,取样电压高于基准电压,此时输出高电平15V,在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端,使其锁死,IGBT脉冲断开,电路断开,从而对电路实现过压保护。
设计的过压保护电路图如图8所示:
取样电压
接入SG3525的10端
图8:
过压保护电路原理图
7.2过电流保护电路
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。
本次设计要求具有过流保护功能,在电流达到6A时动作。
因为前面说过,SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能,所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。
主要思想是将过电流转化为过电压。
具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻,再在这个小电阻上并联一个大电阻,从而进行过电流与过电压的转化。
将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较,就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。
在正常状态下连入的电压小于基准电压,此时,输出一个负的最大值,芯片不会锁死,正常工作。
而当过电流时,转化的电压高于基准电压,此时输出一个高电平,芯片的10端锁死,IGBT脉冲断开,电路断开,从而对电路实现过流保护。
设计的过流保护电路如图9所示:
图9:
过电流保护原理电路图
7.3欠电压保护电路
欠电压保护是指防止输入电压发生故障,输入电压突然下跌,使得输入电压过低,导致电力电子器件或芯片工作在低电压下,可能产生的损害。
所以欠电压保护就是对输入电源进行检测,当出现低电压时动作。
本次设计的欠电压保护还是利用芯片SG3525的引脚10端的自锁功能。
设计的欠电压保护电路如图10所示。
如图所示,具体的方法是在电源侧并联大电阻,再通过电阻进行电压取样,将取样电压接入比较器的负端,与比较器的正端的基准电压(取5V)相比较。
正常状态下,取样电压高于基准电压,此时输出一个负的高电压,芯片正常工作。
当出现欠电压时,取样电压降低,低于基准电压,此时输出一个高电平,芯片SG3525的引脚10端锁死,IGBT的脉冲关断,电路断开,从而实现欠压保护的功能。
电源电压检测测测
接入SG3525的10端
图10:
欠电压保护电路原理图
7.4IGBT的保护
IGBT如果不采取保护,它很容易损坏。
一般认为IGBT损坏的主要原因有两种:
一是IGBT退出饱和区而进入了放大区,使得开关损耗增大;二是IGBT发生短路,产生很大的瞬态电流,从而使IGBT损坏。
下面是对IGBT进行设计的保护电路。
RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护,而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。
在无缓冲电路的情况下,IGBT开通时电流迅速上升,di/dt很大;关断时du/dt很大,并出现很大的过电压。
在有缓冲电路的情况下;V开通时C5通过R34向V放电,使ic先上一个台阶,以后因有Li,ic上升速度减慢;V关断时负载电流通过VD向C5分流,减轻了V的负担,抑制了du/dt和过电压。
VD和R34的作用是在V关断时,给Li提供释放储能的回路。
如图11所示:
图11:
IGBT保护电路
8.设计稳压直流电源15V和直流电压100V
题目只给直流电压Ud=100V,而运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作电压。
如图12所示,先用变压器将220V降压为22V的交流电,再经过桥式整流得到直流电压。
通过滤波电容滤波后,用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。
其中变压器匝数比为220V/24V,电容C1=100uF并且耐压50V,三端集成稳压器型号为7815。
选择二极管型号为IN4003。
同时再将220V通过变压器降压后,再通过桥式整流,再接滤波电容滤波后,即可得到直流电压Ud=100V。
图12:
稳压15V电路
9.课程设计总结
经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多,也得到了很多的收获,受益匪浅。
不仅仅是在知识方面得到了提升,在交流方面也有了进一步提高。
刚刚看到这个课程设计任务书时,对这些课题很熟悉却无从入手,课本上都有提到,但有些不大全面。
考虑了很久,才确定了设计课题,那就是“降压斩波电路设计”这个课题时,在复习这章节的同时,也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容,再不懂得地方请教老师,还有自己网上查资料。
经过几天的努力,终于有了一个电路的基本框架,知道了一个完整的电路应该包含几部分,各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。
知道了大概的模块之后,我对认真地设计每个模块,在设计过程中发现问题后,可以再加于完善。
实在不懂的问题,可以和团队交流,再者就是查资料。
也正因此,我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解,同时,也加强了自己的文件检索能力,特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
为了能够是设计更加合理,对很多实际问题也进行了比较深入的思考。
比如,保护电路这个模块。
所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。
尤其在控制电路这个环节,花费了很多心思。
首先通过不断地查资料,了解PWM控制器(SG3525)的运用,具体理解每个引脚代表什么,功能是什么。
毕竟是第一次进行课程设计,能力不够,所以很多问题都没有考虑周到,有些难题是和同学们商量才得出的结果,期间和同组的组员做了很多的沟通和商量,从而解决了很多问题,这在合作上也是一个不小的进步。
同时,老师也给予了很多的指导和意见,这让我明白了很多东西。
在答辩的时候,拿着自己的设计进行说明,老师帮助我们发现了问题,并提出了很多改进的意见,由此才得到了最后的设计图。
撰写这份报告也很用心,花了很多的时间,提高了课程设计报告的撰写水平,这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的
这次的设计经验,在以后的学习、设计中提供了基础。
也让我懂得无论多么大的设计,应该分模块去完成,才会把看似难题的东西解决掉。
三.元器件清单
器件名称
规格与型号
数量
绝缘栅双极型晶体管
200V/10A
1个
续流二极管
IN414B
1个
电感
0.1mH
1个
电容
100uF/13uF/1uF/0.1uF
2/1/2/1个
二极管
IN4003
11个
金属膜电阻
20Ω/6.2Ω/10Ω/12Ω
3/1/3/1个
金属膜电阻
88.7Ω/500Ω/2K/1K
1/1/4/5个
金属膜电阻
19.1K/5.1K/95.3K/75K
1/2/1/1个
三极管
PNP型.NPN型
各1个
滑动变阻器
1K
1个
PWM控制器
SG3525
1片
光耦合器
6N136
2个
运算放大器
LM324
1片
三端集成稳压器件
7815
1个
或门
74LS32
1片
功率电阻
0.1Ω/60W
2个
变压器
220V/24V
1个
四.参考文献
1.周克宁,《电力电子技术》北京:
机械工业出版社,2004;
2.黄家善,《电力电子技术》北京:
机械工业出版社;
3.王兆安、黄俊,《电力电子技术》第四版。
北京:
机械工业出版社,2000;
4.李宏,《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.王维平,现代电力电子技术及应用,南京:
东南大