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1、-1 绪论电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前开展,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本钱化使电源向轻，薄，小和高效率方向开展。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DC Chopper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/DC Converter。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种根本斩波电路：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根本的一种电路，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IGB
3、T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，因此开展很快。直流降压斩波电路主要分为三个局部，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开展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率开展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的开展。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
4、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根本要求对Buck降压电路的根本要求有以下几点：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：6A7.具有稳压功能8.效率不低于
5、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构造框图如图1所示。 图1 电路框图在图1构造框图中，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
6、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以下图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
7、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管被鼓励趋于导通，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3b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*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完
8、毕，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，假设减小占空比，则随之减小。根据对输出电压平均值进展调制的方式不同，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
9、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*续电流5A，反向击穿电压Bvceo100v的IGBT。如果考虑2倍的平安裕量需选择集电极最*续电流10A，反向击穿电压Bv
10、ceo200V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倍的平安裕量： Umin=2*u1=200VImin=1*It=2*5=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=U0UdU0/2fUdI。 设输出电压为80V，则 L=80*10080/2*1000*40*100*5=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8
11、0V时来算 C=U0UdU0/8LUcffUd =80*10080/8*0.1mH*0.01*40K*40K*100=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10。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到达控制输出电压大小。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响，关闭控制信号。脉宽调节器的根本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一
12、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展调制的技术。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展调制，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
13、的占空比进展控制. 因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进展连续控制。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，内部包括精细基准源、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4 SG3525的引脚 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，该引脚接反响信号。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
14、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响网络。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
15、。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：8-35v。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，制止多脉冲。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响补偿网络，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
