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1、 目录一、设计题目 降压斩波变换技术的工程应用二、设计日期 201年12月17号2011年12月20号 三、设计目的 通过对降压斩波电路的设计，掌握整流电路的工作原理，提高 学生运用科学理论知识能力，工程实践能力。四、设计正文 电路的原理图如图1所示，图1降压斩波电路主电路 此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。 工作原理：当t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电
2、压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 当 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 此电路的基本数量关系为： （1）电流连续时 负载电压的平均值为 (1-1)式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为 (1-2)（2）电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式： 脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton， 频率调制：保持开关导通时间ton不变，改
3、变开关周期T。混合型：ton和T都可调，使占空比改变。1.2 IGBT驱动电路选择 IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件： (1)由于是容性输出输出阻抗；因此I
4、BGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为-2V-10V。 (4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的
5、容量有关，一般在几欧几十欧，小容量的IGBT 其RG值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的GE极之间不能为开路。1.2 整流电路 本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得，由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本
6、电路要求有稳定的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压。整流电路的原理图如图3所示：图2 整流电路图输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。1.3 斩波信号
7、产生电路 此电路主要用来驱动IGBT斩波。同其他的电力电子器件一样，由分立元件组成的IGBT驱动电路也存在着可靠性问题。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成块速度快，为了提高安全性，内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，可实现IGBT的最优驱动。下面将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的比较，以此来说明集成驱动电路的优越性。1.3.1由分立元件组成的驱动电路 如图4为由脉冲变压器组成的栅极驱动电路。其工作原理为：正向驱动信号使VT1导通，电源电压作用于脉冲变压器一次侧，二次电压经二极管VD2、VD3和门集电阻Rg后作用于IGBT，使IGBT导通。晶体管VT
8、2由于基极反向偏置而截至。图3 由分立元件组成的驱动电路 当驱动信号为零时，VT1截止，一次励磁电流经VD1和VS迅速衰减，使在脉冲间隙期间脉冲变压器的磁通回零。变压器二次侧的反向电压经R2加到二极管VD2上。IGBT门极结电容上的电荷经Rg和VT2放掉，R2为VT2的偏流电阻。 此电路的优点：这种电路不用独立的驱动电源，驱动电路结构简单，脉冲变化时，驱动电压幅值不变，可用于各种容量的IGBT的驱动。 此电路的缺点：截止时没有门极反向电压，抗干扰能力不强。这种电路适用于驱动占空比小于50%的高频场合。1.3.2集成驱动电路（1）芯片介绍及功能原理图 EXB841芯片是单列直插式结构，如图5所示
9、，各引脚的功能见表1。图（）中3脚为驱动的输出端，通过电阻Rg接被驱动的IGBT的栅极；4脚用于外接电容，防止电流保护电路的误动作；5脚为过电路保护电路的输出信号，低电平有效；6脚接IGBT的集电极，通过检测Uce的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大，从而进行自动保护。EXB841的功能块图如图6所示。引脚号功能引脚号功能1与用于反向偏置电源的滤波电容连接7、8悬空2电源（+20V）9电源地3驱动输出端10、11悬空4用于连接外部电容，以防止过流保护电路的误动作（绝大部分场合不需要此电路）14驱动信号输入（-）端5过流保护输出端15驱动信号输入（+）端6集电极电压输出端表1 EXB841的
10、引脚功能表图5 EXB841的功能块图 （2）电路原理图及工作原理简介 图7示出了EXB841的电路原理图，其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三部分。隔离放大部分由光电耦合器ISO01、晶体管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9组成。光电耦合器IS01的隔离电压可达2500VAC。VT2为中间放大级，VT4和VT5组成的互补式推挽输出可为IGBT栅极提供导通和关断电压。晶体管VT1、VT3和稳压管VZ1以及阻容元件R3R8、C2C4组成过电流保护部分，实现过电流检测和延时保护。电阻R10、稳压管VZ2与电容C5构成5V基准电源，为IGBT的关断提供-5V的反偏电压，同时
11、也为输入光耦合器IS01提供副方电源.。 电路的工作过程简述如下：当14脚与15脚间流过的电流为零时，光电耦合器截止，A点为高电平，晶体管VT1、VT2导通，D点电位下降VT4截止、VT5导通。IGBT的栅极电荷经VT5迅速放电，使3脚电位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠关断。当14脚与15脚间通过10mA电流时，光电耦合器导通，A点电位下降，VT1、VT2由导通变为截止。VT2截止导致D点电位升高，VT4导通，VT5截止。2脚电源经VT4到3脚到Rg到IGBT,驱动IGBT的栅极，使IGBT迅速导通。 当IGBT正常工作时，Uce较小，隔离二极管VD2导通，稳压管VZ1不会被击穿，
12、VT3截止，C4被充电，使E点电位为电源电压值（20V）并保持不变。一旦发生过电流或短路，IGBT因承受大电流而退饱和，导致Uce上升，VD2截止，VZ1被击穿使VT3导通，C4经R7和VT3放电，E点及B点电位逐渐下降，VT4截止，VT5导通，使IGBT被慢慢关断从而得到保护。与此同时，5脚输出低电平，将过流保护信号输出。 使用此驱动电路时应注意以下问题： 输入电路与输出电路应分开。即输入电路（光电耦合器）接线远离输出电路接线，以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。驱动电路与IGBT栅到射极接线长度应小于1m，并使用双绞线以提高抗干扰能力。若集电极上有大的电压尖脉冲产生，可增加栅极串联电阻R
13、g使尖脉冲较小。Rg值的选择可参考表2所给数据。IGBT额定值600A10A15A30A50A75A100A150A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/欧姆250150825033251512825二、最优参数选择2.1 整流电路部分整流桥二极管的选择。在桥式整流电路中，每只二极管只在输入电压的半个周期内导通，因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半，即ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器二次测电压U2的最大值，即 URM=1.414U2，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流IF(1.1IO)/20.5(U2/RL);最大反向电压UR1.12U2=1.1255=84.7V。滤波电容的选择：C=(5T/2)/RL2.2 斩波主电路部分 IGBT的选择：因为本电路设计的E=50V,因此根据表（）可知所选IGBT的额定电压与额定电流分别为50V、100A。栅极串联电阻Rg的阻值：根据IGBT的选择，由表（）可知Rg的值为25。 其他元器件的选择标准如下：图6对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。 电流连续时得出 （1-3） （1-4
