降压斩波电路设计

1、1 绪论电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。直流斩波电路（DC Chopper）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，也称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流

2、斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6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。其中IGBT降压斩波电路就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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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

3、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，因此发展很快。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。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，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT

4、的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。二.课程设计 1. 降压斩波电路的设计目的（1）培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。（2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。（3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。（4）提高课程设计报告撰写水平。2. 降压斩波电路设计的基本要求对Buck降压电路的基本要求有以下几点：1.输入直流电压：Ud=100V2.开关频率40KHz3.输出电压范围50V80V4.输出电压纹波：小于1%5.最大输出电流：5A（在额定负载下）6.具有过流保护功能，动作电

5、流：6A7.具有稳压功能8.效率不低于70%3. 总体电路框图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。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。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 电路框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传

6、到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。4 降压斩波主电路的设计4.1 BUCK降压斩波主电路：在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压Ud。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。图2 降压斩波主电路图4.2

7、电路工作原理分析： 直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。当t=0时，V管被激励趋于导通，VD管要承受反压。在V管接通的t1时间内，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存储于电感中。电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3（b）所示： 图3 电路工作时的电流波形图当时刻V管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。其中二极管VD势必导通，电感电流可通过负载，VD形成通电回路。电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续

8、且脉动小，故应串联较大的电感L。（2）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U.=KE, 为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；K为导通占空比。通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，可分为三种工作方式：1） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制工作方式；2） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方式；3） 开关导通时间ton和开关周期T都可调，称为混合型。但是普

9、遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。4.3 主电路元器件参数选择：主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明：(1) 对于电源，因为题目要求输入直流电压为100V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。(2)IGBT 由图2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有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流>5A，反向击穿电压Bvceo>100v的IGBT

10、。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流10A，反向击穿电压Bvceo200V的IGBT。 (4)二极管 当=1时，其承受最大反压100V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择Vc>100v,I>5A的二极管。考虑2倍的安全裕量： Umin=2Xu1=200V Imin=1xIt=2x5=10A(5)电感 选择大电感L，使得电路能够续流，此时的临界电感为： L=U0（UdU0）/2fUdI。 设输出电压为80V，则 L=80x（10080）/2x1000x40x100x5=0.04mH 所以电感L>=0.04mH，取L=0.1mH。(6) 电容 选择的电

11、容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为80V时来算 C=U0（UdU0）/8LUcffUd =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF这里取C=13uF。(7)电阻RL 因为输出电压为50V80V时，而输出的最大电流为5A。所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在10。5. 控制电路原理与设计：5.1控制电路方案比较及选择：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。IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子

12、开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。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，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，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

13、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. 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，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。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。 图4 SG3525的引脚 图5 内部框图 5.2 SG3525各引脚具体功能：（1）引脚1：误差放

14、大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。（2）引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。（3） 引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。（4） 引脚4：振荡器输出端。（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。（6） 引脚6：振荡器定时电阻接入端。（7）引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放电回路。（8） 引脚8：软启动电容接入端。（9） 引脚9：PWM信号输入端。（10） 引脚10：

15、外部关断信号输入端。（11） 引脚11：输出端A。（12） 引脚12：信号地。（13） 引脚13：输出级偏置电压接入端。（14） 引脚14：输出端B。（15） 引脚15：偏置电源接入端。（16） 引脚16：基准电源输出端。5.3 SG3525芯片特点如下：（1） 工作电压范围：8-35v。（2） 5.1V微调基准电源（3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。（4） 具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。（6） 内置软启动电路。（7） 具有输入欠电压锁定功能。（8） 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)其11和14脚

16、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。5.4 控制电路原理分析：由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要

17、求需要频率为40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。 SG3525有保护的功能，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。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13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。由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：图6.控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 6 驱动电路原理与设计6.1 驱动电路方案设计与选择：该驱

18、动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。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：(1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但

19、同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。(2)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作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。（11）由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离。6.2 驱动电路工作分析： 驱动电路的电路图如图5所示：接IGBT源极接IGBT栅极PWM调制 图7： 驱动电路原理图如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合

20、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。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。 IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有A级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定

21、的峰值电流。7 保护电路原理与设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。7.1 过电压保护电路：过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，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，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。本次设计的电路要求输出电压为50V80V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以

22、利用SG3525的这个特点进行过压保护。当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。如图6所示：取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压（5V）进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压是，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。设计的过压保护电路图如

23、图8所示：取样电压接入SG3525的10端 图8：过压保护电路原理图7.2 过电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。本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率

24、电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。设计的过流保护电路如图9所示：接入SG3525的10端过流保护输入图9： 过电流保护原理电路图7.3 欠电压保护电路 欠电压保护是指防止输入电压发生故障，输入电压突

25、然下跌，使得输入电压过低，导致电力电子器件或芯片工作在低电压下，可能产生的损害。所以欠电压保护就是对输入电源进行检测，当出现低电压时动作。本次设计的欠电压保护还是利用芯片SG3525的引脚10端的自锁功能。设计的欠电压保护电路如图10所示。如图所示，具体的方法是在电源侧并联大电阻，再通过电阻进行电压取样，将取样电压接入比较器的负端，与比较器的正端的基准电压（取5V）相比较。正常状态下，取样电压高于基准电压，此时输出一个负的高电压，芯片正常工作。当出现欠电压时，取样电压降低，低于基准电压，此时输出一个高电平，芯片SG3525的引脚10端锁死，IGBT的脉冲关断，电路断开，从而实现欠压保护的功能。

26、 电源电压检测测测接入SG3525的10端 图10： 欠电压保护电路原理图7.4 IGBT的保护IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为损坏的主要原因有两种：一是退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有Li，ic上升速度减慢；V关断时负载电流

27、通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给Li提供释放储能的回路。如图11所示： 图11 ：IGBT保护电路8.设计稳压直流电源15V和直流电压100V 题目只给直流电压Ud=100V，而运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作电压。如图12所示，先用变压器将220V降压为22V的交流电，再经过桥式整流得到直流电压。通过滤波电容滤波后，用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。其中变压器匝数比为220V/24V,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。选择二极管型号为IN4003。同时再将220V通过变压器降压后

28、，再通过桥式整流，再接滤波电容滤波后，即可得到直流电压Ud=100V。 图12 ：稳压15V电路9.课程设计总结经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，再不懂得地方请教老师，还有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解PWM控制器（SG3525）的运用，具体理解每个引脚代表什么，功能