断续模式下直流降压斩波电路课程设计

1、武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书目录摘要11 BUCK电路主电路的设计21.1 设计的内容及要求21.2 主电路的设计21.3驱动电路的设计31.4 整流电路的设计41.5 斩波信号产生电路52 最优参数的选择103电路的仿真113.1仿真模型图113.2 仿真参数124 总结14参考文献15摘要直流-直流变流电路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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直

2、流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。 直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：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，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。 BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。电流断续时

3、，负载电压0平均值会升高。关键字：直流斩波 降压斩波断续模式下降压型直流斩波电路设计1 BUCK电路主电路的设计1.1 设计的内容及要求初始条件：300V直流电源输入要求完成的主要任务:设计240W断续工作模式下降压型直流斩波电路，要求达到：1、输出直流电压120V，开关频率100kHz。2、完成总体系统设计。3、完成总电路和电力电子器件电压和电流定额计算。4、完成控制电路方案设计。1.2 主电路的设计图一 buck电路原理图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

4、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0=E，负载电流i0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0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。当电感L较小时，在V关断后，到了t2时刻，负载电流已经衰减为零，出现负载电流断续的情况，波形图如图二所示，本次课设主要研究断续模式下buck电路的工作情况。图二 电路的工作波形1.3驱动电路的设计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

5、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IBGT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I

6、GBT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

7、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。1.4 整流电路的设计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。其原理图如下图图三 整流电路原理图当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2

8、、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。1.5 斩波信号产生电路 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

9、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。1.5.1由分立元件组成的驱动电路 如图四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VT2由于基极反向偏置而截至。图四 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

10、：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。1.5.2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，如图五所示，各引脚的功能见表1。图5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

11、如图六所示。图五EXB841 芯片引脚图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的引脚功能表图六 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2500

12、VAC。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

13、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，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

14、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Rg使尖脉冲较小。Rg值的选择可参考表2所给数据。表2推荐的栅极串联电阻Rg的参考值IGBT额定值600A10A15A30A50A75A100A150A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/欧姆250150825033251512825图七 EX

15、B841的电路原理图2 最优参数的选择由给出的初始条件可知，E=300V当电流断续时，有其中 为占空比，=tonTtx=ln1-1-me-m其中 =T/ m=Em/E =L/R电流断续时，tx<toff,由此得出电流断续的条件为m>e-1e-1当满足此条件时，电流断续，此时负载电流的平均值为已知开关频率为100KHz，则T=10us负载电流平均值I0=PU0=240120=2A设L=0.3mH R=3=LR=3×10-43=1×10-4P=T=0.1取=39%时，满足m>e-1e-1 即满足断续条件Em=117V此时U0120V，理想情况下满足题设条件3电

16、路的仿真3.1仿真模型图 图八 电路仿真模型图图九 仿真工作波形图3.2 仿真参数由于考虑到实际情况需要对参数做出一些修改，各种主要参数的设置如下在实际调试中，可能会出现一定的误差而达不到理想状况，由仿真图的出的结果，U0约为117V，I0约为2A，基本符合条件。4 总结回顾起此次电力电子课程设计，感慨颇多，在两个星期的日子里可以说是整天都充满着压力与忙碌，自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。从开始得到老师给定课题时的一脸茫然到老师讲解后内容的初步了解再到自己通过查资料、与同学共同探讨、经过老师指导后，自己设计并写出这份课程报告，心中充满了成就感。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。本次课程设计还让我明白了理论联系实际的重要性，只有通过实际的动手才能加深对于理论知识的理解。在做课程设计的过程中我发现自己对课本知识的理解不够深刻，掌握的不太牢靠，以后一定会努力地温习以前的知识。此次我选择了电子版的报告书，运用了AUTO CAD2008进