降压斩波电路__课程设计

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1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目降压直流斩波电路实验装置院（系）：电气工程学院专业班级：电气094学 号：_0_学生姓名：倪慧龙指导教师： （签字）起止时间：2011-12-26至2011-01-6课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气号 学O2目 题 计 设课程设计论文1任务刃嘉 输右 aHF波左 m M 斩OV 八、 置理 3 关 。 淫斷450流 洋昭 叼直 使濟 筋出 t讣H输 集商 航斩 rv 厶刖 、 数 计装 5 殳、/ J 0 召川 粗iwJ#0喲肌 划验应 桂 书饬99 、 实， W 明 前阻 球学形 碍 。说2.电 要 教波 料

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3、 2设或 第路试訂1 0 环波尝 学斩验 中：实 集天在5 无第无 1 ; 8 第;第辩平时： 论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩： 年 月日目录第二章降压直流斩波电路设计7降压斩波电路工作原理 7降压斩波电路(Buck Chopper) 7IGBT 驱动电路选择 8整流电路 9斩波信号产生电路 9由分立元件组成的驱动电路10集成驱动电路10(2)电路原理图及工作原理简介12最优参数选择 13整流电路部份 13斩波主电路部份 13生成总的电路图 15总原理图 15此电路的主要功能 16保护电路 16整流桥电路部份 16驱动电路部份 17摘要直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压

4、的 DC-DC 变换器 ,在直 流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各类用电设备中取得普通的 应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、起落压斩波电路、复合斩波电路等 多种方式的变换电路 . 直流斩波技术已被普遍用于开关电源及直流电动机驱动中，使其 控制取得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传 动电能传输与变换、有源滤波等领域取得了普遍的应用。TDC-1 型学习机是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的 “电力电子”或“半导 体变流技术”等课程中的直流斩波电路实验并按照现今电力电子技术的发展方向及应用而 设计的新型实验装置。该学习机

5、面板上画有原理图。各测试点均装有测试探头可以钩住的 端子。测试电压及波形十分方便。使学生在实验课中安全、方便、直观地观察到各类电压、 电流的波形及数据。学生实验可以加倍深切了解直流斩波电路的工作原理及其典型的应用 电关键词：直流；电力电子；变换电路；第一章 摘要直流斩波电路的介绍直流变换技术已被普遍的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不中断电源（UPS）、 无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽 车的控制。从而使上述控制取得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。 直流变换系统的结构如下图-1所示。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而

6、来的直 流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的 作用。单相、三相不可控电流滤波电萃DC-DC变换盎 负载直流变换系统结构直流斩波电路的发展前景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，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，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超级普遍，包括直流电动机 传动、开关电源、单相功率因数校正，和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（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton

7、 不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。现今世界软开关 技术使得DC/DC变换器发生了质得转变和飞跃。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（、10、17）W/cm3,效率为（8090）%。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200300KHZ,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%。第二章 降压直流斩波电路设计降压斩波电路工作原理降压斩波电路

8、(Buck Chopper)电路的原理图如图2所示，Em此电路利用一个全控型器件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，负载电压uo二E，负载电流io 按指数曲线上升。当t二tl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使负载电流持续且脉动小。此电路的大体数量关系为：(1) 电流持续时负

9、载电压的平均值为t(1-1)U on E on E a E o t + t7on off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U EI omR (1-2)(2) 电流断续时，负载电压uo平均值会被举高，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):维持开关周期T不变，调节开关导通时间ton,频率调制：维持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。混合型：ton和T都可调，使占空比改变。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

10、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、经受短路能力及 du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的转变对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需注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引发的误触发等问 题。按照上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必需靠得 住，要保证有一条低阻抗的放电回路。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有足够峻峭的前

11、、 后沿，使IGBT的开关损耗尽可能小。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，会引发电 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

12、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办法情况下，IGBT 的GE极之间不能为开路。IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜 驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。IGBT驱动电路分析随着微处置技术的发展(包括处置器、系统结构和存储器件)，数字 信号处置器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域取得了普遍的应用。一般数字信号 处置器组成的控制系统，IGBT驱动信号由处置器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱 动能力及其与 IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的靠得住性。因此本文采用 EXB841设

13、计出了一种靠得住的IGBT驱动方案。 本文将在斩波信号产生电路一节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，以此来讲明集成驱动电路的优越性。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v =2voutin(2444I 一 cos 2 t 一cos 4 t 一l兀 3兀15兀35兀6t.,由整流电路出 丿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 .

14、因为本电路要求有稳定的 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：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，电压一样是上正下负，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，可以取得比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。斩波信号产生

15、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驱动电路也存在着靠得住性问题。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，以此来讲明集成驱动电路的优越性。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VD二、VD3和门集电阻Rg 后作用于IGBT，使IGBT导通。晶体管VT2由于基极反向偏置而截至。VD2111R2IGBT图 4 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