《降压斩波电路设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《降压斩波电路设计（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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勺复合器件。它既有MOSFET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
3、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
4、集成脉宽调制控制器SG3525r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=100V2. 开关频率40KHz3. 输出电压范围50V80V4. 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
5、：6A7. 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
6、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4.1 BUCK制压斩波主电路：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Udo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VDo图2降压斩波主电路图4.2 电路工作
7、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U0=E,负载电流略按指数曲线上升。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t3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
8、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U0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，
9、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，具值为5A。故需选择集电极最大连续电流Ic5A,反向击穿电压Bvceo100v的IGBT
10、如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流Ic10A,反向击穿电压Bvceo200V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Vc100v,I5A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(UdU0)/2fUdI。设输出电压为80V，则L=80x(10080)/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
11、，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(UcHU。/8LAUcffUd=80x(10080)/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF这里取C=13uF。(7)电阻RL因为输出电压为50V80V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：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
12、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?等来输出PWMG也可以通过特定的PWM：生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWME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
13、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PWMI：生芯片来进行连续控制。对于PWMI：生芯片，我选用了SG3525K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。SG352呢定频PWMfe路，采用16引脚标准DIP封装。具各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。及相拓人匚1L&二|研tf嗽箱入匚215v6同步猊匚工L4WE粽南箱也匚4L3_lA.B瞥匚ctH512二1见FT匚6L1二小版电笔匚7LQ二1团慢
14、控制蚊后劲花匚89二1时增15 卢-T-工莫盘 攵值电. I号静皆出图4SG3525的弓I脚图5内部框图5.2 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
15、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:PWM1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)弓|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。5.3 SG3525芯片特点如下：(1) 工作电压范围：8-35vo(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PW檄存功能，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PWM1号。脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电
