软开关斩波电路设计报告.doc

软开关电路设计报告成员：软开关电路设计目录第1章 引言21.1 设计任务21.2 设计要求2第2章 系统框图及主要流程图32.1 系统框图32.2 主要流程图3第3章 模块设计43.1 555谐波产生电路43.1.1 555管脚介绍43.1.2 周期计算53.2 IGBT驱动电路53.2.1 IGBT对驱动电路的要求63.2.2 驱动芯片EXB841的控制原理73.3 零电压波控BUCK电路83.3.1 ZVS准谐振变换电路83.3.2 BUCK降压斩波电路12第4章 电路图134.1 仿真电路图134.1.1 555波形发生电路134.1.2 零电压波控BUCK电路134.1.3 整体电路图144.2 实物图14第5章 测试结果155.1仿真测试结果155.1.1 555波形产生结果155.1.2软开关功能实现结果165.1.3BUCK降压结果165.2实际结果16第6章 总结17第7章 元件清单18第8章 参考文献1920第1章 引言1.1 设计任务设计并制作一个软开关电路，其基本结构如图所示。基本斩波电路包括升压斩波电路、降压斩波电路、升降压斩波电路，其中采用零电压开关谐振或零电流开关电路。Ud=24V ，滑动变阻器R=100。1.2 设计要求（1）输出电压幅值024V可控。（2）斩波电路中开关S在工作过程中实现零电压开关或零电流开关（示波器同时测试开关S两端电压和流过电流的波形）。（3）当电阻R发生变化时，输出电压保持在12V（发挥）（4）斩波电路的效率90%（发挥）。第2章 系统框图及主要流程图2.1 系统框图2.2 主要流程图第3章 模块设计3.1 555谐波产生电路由555定时器组成时钟发生电路，为整个电路提供所需要的时钟信号CP。时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器在简易设计的制作、波形的产生与变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。3.1.1 555管脚介绍555定时器内部机构如右图所示，它主要有以下部分组成：(1)电阻分压器。由3个5 K的电阻组成。(2)电压比较器。控制波形的占空比由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc。(3)基本RS触发器。由两个与非门G1和G2构成，它的作用是对两个比较器输出的电压进行控制。(4)放电三极管VT。及放电端，用DISC表示，VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出端D。(5)缓冲器。由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。引脚功能:1脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。3.1.2 周期计算时钟电路案例图如图时钟电路案例（数据可变） 用555定时器构成多谐振荡器,电路输出得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C 3.2 IGBT驱动电路绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种由双极型晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电能变换装置中得到了广泛应用。但是，IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、快开关损耗、承受短路电流能力及du/dt等参数，并决定了IGBT静态与动态特性。因此设计高性能的驱动与保护电路是安全使用IGBT的关键技术3.2.1 IGBT对驱动电路的要求（1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭；（2）栅极串连电阻Rg要恰当。Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大； （3）栅射电压要适当。增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（510）V； （4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。3.2.2 驱动芯片EXB841的控制原理图1为EXB841的驱动原理4,5。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管Vz2决定。3.3 零电压波控BUCK电路3.3.1 ZVS准谐振变换电路随着电力电子装置高频化，像滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。所以提出了软开关技术。a)软开关技术的主要作用是：1.降低开关损耗和开关噪声；2.进一步提高开关频率；3.在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善；4.降低开关损耗和开关噪声；b)软开关的工作原理：软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。 （ZVS准谐振开关DC-DC变换电路）假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。(1) t0t1期间(模式1)t0时刻之前，开关S处于导通状态，二极管VD处于关断状态，uCr=0；当t=t0时，开关S关断，因电容Cr的存在，开关S上承受的电压不能突变，只能缓慢地从零上升至电源电压UD(发生在t=t1时刻)，因此开关S的关断损耗减小。 （模式1等效电路图） (2) t1t2期间(模式2)在t1之后，二极管VD正向导通。滤波电感经二极管VD续流；电流经Lr，Cr，UD，VD构成谐振回路，发生串联谐振。iL不断下降，uC不断上升，在t处，iL下降为0，uC上升到谐振峰值电压。之后，iL反向，uC不断下降，iL反向不断增加，在t处，Lr两端电压为零，uC下降至UD，iL上升至反向谐振峰值电流IO。 （模式2等效电路）当t=t2时，二极管Vr开始呈导通状态，电容Cr上电压uC被钳位为零，而不会呈现反向电压。 (3) t2t3期间(模式3)在t2之后，谐振电容电压uC被二极管Vr钳位至零, 即可将控制信号加至开关S的控制极上，实现零电压开通。此时，iL线性上升，在t=t2时为零，之后，开关S呈导通状态，iL经开关S流通。因此，开关S在零电流和零电压条件下开通，t=t3时，iL=IO。 （模式3等效电路） (4) t3t4期间(模式4)t3之后，iL=IO，续流二极管VD又恢复到阻断状态。在t=t4之前，流过开关S的电流一直保持为IO，在t4时，开关S被关断，下个周期开始工作。为了调节输出电压，可以通过控制t4t3的大小(即该时段的长短)来实现。谐振过程定量分析t1到t4时段电路谐振过程的方程为：求解的：uCr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：3.3.2 BUCK降压斩波电路直流斩波电路（DC Chopper）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）。直流斩波电路的种类：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。而此次试验的要求是电压024V可调，故使用的是BUCK降压电路。电流连续时，负载电压平均值 a导通占空比，简称占空比或导通比Uo最大为E，减小a，Uo随之减小降压斩波电路。也称为Buck变换器。负载电流平均值 I=Ud/R 电流断续时，Uo平均值会被抬高，一般不希望出现斩波电路三种控制方式a 脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型T不变，调节ton，应用最多b 频率调制或调频型ton不变，改变Tc 混合型ton和T都可调，使占空比改变此实验使用的是a方式，用555产生脉冲宽度可调的波。第4章 电路图4.1 仿真电路图4.1.1 555波形发生电路4.1.2 零电压波控BUCK电路4.1.3 整体电路图4.2 实物图第5章 测试结果5.1仿真测试结果5.1.1 555波形产生结果占空比最小波形图：占空比50%波形图：占空比最大波形图5.1.2软开关功能实现结果5.1.3 BUCK降压结果由图示仿真结果可知，仿真降压范围约为1V23V。5.2实际结果实际结果中，电压所调的范围比仿真要小的多，约为1V15V，其余测试结果基本符合。第6章 总结通过此次参赛，首先学到了许多专业方面的知识。对555芯片有了更深的认识与了解，还接触到了斩波电路以及现在很热的软开关。对新知识的学习我们向来热情很高，可这次是完全的自学，没有课堂老师的教授，也就很难系统的好好掌握，所以对于这部分内容，我们都还需要进一步学习，这次的比赛仅仅是个开始。除了学习专业这些知识外，我们收获最大的莫过于团队协作与坚持的精神了。三个人在一起合作，不是个简单的事，随着时间的推移，彼此感情更深。期间也有不愉快的时刻，走过来了，一切都好了。另外，此次比赛的战线拉得很长，将近两个月，尤其中间还夹杂着许多科目的考试，这对我们的耐心也是很大的考验，我很高兴我们这个队伍坚持了下来，我们会很珍惜此次参赛的经历的。我们将以此次比赛为为起点，继续前进！第7章 元件清单序 号名 称数 量单 价备 注1电位器61.02EXB84113.03NE555芯片11.54二极