电力电子降压斩波电路设计

1、1. 引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。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。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。开关电源分为AC/DC 和 DC/DC ，其中 DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。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。斩波电路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。IGBT 降压斩波电路就

2、是直流斩波中最基本的一种电路， 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 与双极晶体管的复合器件。它既有 MOSFET 易驱动的特点， 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 IGBT 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。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发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发

3、展的趋势，促进了IGBT 降压斩波电路的发展。2. 方案确定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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。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结构框图如图1 所示。图 1 降压斩波电路结构框图在图 1 结构框图中，控制电路是用来产生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

4、路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。3. 主电路设计3.1主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比， 从而获得我们所想要的电压。 这就可以根据所学的buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择， 选用比较熟悉的全控型的IGBT 管

5、，而不选半控型的晶闸管， 因为 IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2 所示：图 2主电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT 控制导通。用控制电路和驱动电路来控制 IGBT 的通断，当 t=0 时，驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载供电，负载电压u0 =E，负载电流 i0 按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3 所示：iGtofftontoffiGOTttoniG Oioi1i2T txtioi1I10I20i2Ot1tOEt1I20t2tuoEuoE

6、Oa)tOb)EMt图 3 降压电路波形图当 tt1 时刻，控制 IGBT 关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压 u0 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，故串联L 值较大的电感。至一个周期 T 结束，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tonU itonU iU iU oTton toffton 为 IGBT 处于通态的时间； toff 为处于断态的时间； T 为开关周期； 为导通占空比。通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 E，若减小占空比 ，则 Uo随之减小。由

7、此可知，输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 U i，若减小占空比 ，则 Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。3.3 参数分析主电路中需要确定参数的元器件有 IGBT 、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：(1)电源 要求输入电压为100V。(2)电阻 因为当输出电压为50-80V 时，假设输出电流为0.1-5A。所以由欧姆定律U 0RIo可得负载电阻值为 10 800 ，所以取电阻 20 欧姆。(3)IGBT 由图 3 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

8、流，其值为 5A 。故需选择集电极最大连续电流 I c =10 A ，反向击穿电压 Bvceo 200V的 IGBT ，而一般的 IGBT 都满足要求。(4)二极管 其承受最大反压 100V，其承受最大电流趋近于5A ，考虑 2 倍裕量，故需选择UN 200V ，IN10 A 的二极管。U 0(5)电感 由上面所选的电阻 20 欧姆，根据欧姆定律：R当 Uo=80V 时， Iomax=4A;Io当 Uo=50V 时， Iomin=2.5A;根据电感电流连续时电感量临界值条件：L=Uo* （ Ud-Uo）/(2UdIo)为了保证负载最小电流电路能够连续，取Io=2.5A 来算，可得 L=0.12

9、5mH ，所以只要所取电感 L>0.125mH ，取 L=1mH 。（6）开关频率f=40kHz（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：Uc Uo * (Ud Uo) / 8LCf 2Ud可得LC >= 0.195 uH*F取 C=0.47mF4. 控制电路设计4.1 控制电路方案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达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型

10、；3.导通时间和周期T 都可调，是占空比改变，称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式，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行调制的技术。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行调制，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，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。图 4.1 SG3525 引脚图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

11、特定的 PWM 发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的 PWM 发生芯片来进行连续控制。对于 PWM 发生芯片，我选用了 SG3525 芯片，其引脚图如图 4.1 所示，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，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。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

12、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馈补偿网络，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。4.2工作原理由于 SG3525 的振荡频率可表示为 ：14.1fC t (0.7Rt 3Rd )式中 : C t ,Rt 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻； Rd 是与脚 7 相连的放电端 电阻 值 。 根据 任 务要 求需 要频 率为 40kHz ， 所以 由上 式可 取C t =0.01 F, Rt =1k, Rd = 600。可得 f=40k

13、Hz ，满足要求。图 4.2控制电路SG3525有过流保护的功能，可以通过改变 10 脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10 端进行过压保护，如图4.2 所示10 端外接过压过流保护电路。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10 脚的电位抬高，从而11、14 脚输出低电平，而当其没有过流时，10 脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。 1 端接芯片内置电源， 2 端接负载输出电压，通过1 端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、

14、 2 所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1 端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。4.3 控制芯片介绍本控制电路是以 SG3525 为核心构成 ,SG3525 为美国 Silicon General 公司生产的专用，它集成了 PWM 控制电路 ,其内部电路结构及各引脚功能如图 4.3 所示 ,它采用恒频脉宽调制控制方案 ,内部包含有精密基准源 ,锯齿波振荡器 ,误差放大器 ,比较器 ,分频器和保护电路等 .调节 Ur 的大小 ,在 11,14两端可输

15、出两个幅度相等 ,频率相等 ,相位相差 , 占空比可调的矩形波 (即 PWM 信号 ).然后，将脉冲信号送往芯片 HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往 IGBT ，对其触发，以满足主电路的要求。图 4.3 SG3525A 芯片的内部结构（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V， 50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V 时，可把 15、16 脚短接，这时 5V 电压调整器不起作用。（2）振荡器3525A的振荡器，除CT、RT 端外，增加了放电7、同步端3。RT 阻值决定了内部恒流值对CT充电，

16、 CT的放电则由5、7 端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过 RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。这时3525A 的振荡频率可表1为： f SCT (0.7RT 3RD )（3.1）在 3525A 中增加了同步端 3 专为外同步用， 为多个 3525A 的联用提供了方便。 同步脉冲的频率应比振荡频率 fs 要低一些。(3)误差放大器误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在 1.83.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1 脚（正电压输出）

17、或2 脚（负电阻输出）。3524 的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。(4)闭锁控制端 10利用外部电路控制10 脚电位，当 10 脚有高电平时， 可关闭误差放大器的输出， 因此，可作为软起动和过电压保护等。(5)有软起动电路8，端 8 可外接软起动电容。该电容由内部 Vref 的 50A比较器的反相端即软起动控制端2.5VC8恒流源充电。达到 2.5V 所经的时间为t50 A。点空比由小到大（ 50）变化。(6)增加 PW

18、M 锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)增设欠压锁定电路电路主要作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约 2mA）。(8)输出级由两个中功率 NPN 管构

19、成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出 100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。使用时 VC 接一个 0.1 f电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时， 如负载电流达到50mA 以上时，管饱和压降较高 （约 1V ）。5. 驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择IGBT 是电力电子器件，控制

20、电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT 。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为在开通及关延时，同时要保证当IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。IGBT会2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取 -5V反向栅压能让IGB

21、T可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。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。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案 1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工

22、作电源，其对脉冲信号有1us 的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。方案 2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。对于方案 1 可以用 EXB841 驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT 管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10 端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱

23、动芯片而是直接用光耦电路。5.2 工作原理如图 5.2 所示，IGBT 降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。 采用的光耦是 TLP521-1。为得到最佳的波形， 在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。图 5.2驱动电路原理：控制电路所输出的信号通过 TLP521-1 光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大6. 保护电路设计6.1 过压保护电路过压保护要根据电路中过压产生

24、的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。6.1.1 主电路器件保护当达到 定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图 6.1.1 所示。图 6.1.1RC 阻容过电压保护电路图6.1.2 负载过压

25、保护如图 6.1.1 所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10 端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10 端电位，从而使10 端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525 的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5.1V 电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在 5V 以内，取负载输出电压最大值80V 来算 R20/R18=80/3 左右 ，所以 R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19

26、=2k。图 6.1.2负载过压保护6.2 过流保护电路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时， 可能会发生过电流。 当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加 FU 熔断器来限制电流的过大，防止 IGBT 的破坏和对电路中其他元件的保护 。如图 1 在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种方法如图 6.2 所示，也是利用控制电路芯片的第 10 端。在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式： Uo=（1+R12/R10）*Ui ，取放大 10 倍，即