降压斩波变换技术

1、电力电子技术课程大作业任务书2016年12月目录内容：设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和要达到的要求 （包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）；总体方案的确定；具体电路设计（主电路设计、控制电路设计等）；参考文献；附录（电路图和元器件明细表等）。降压斩波变换技术的工程应用一、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

2、关电源成为研究趋势。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双极晶体管 的复合器件。它既有 MOSFET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。 GB懈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

3、高效率发展的趋势，促进 了 IGBT降压斩波电路的发展。二、设计任务2.1.1课程设计目的1、培养文献检索的能力，特别是如何利用图书馆数字资源检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生撰写设计报告的水平。2.1.2设计的步骤根据给出的技术要求，确定总体设计方案选择具体的元件，进行系统的设计 进行相应的电路设计，完成相应的功能进行调试与修改撰写课程设计说明书三、设计方案选择及论证斩波电路有三种控制方式(1)脉冲宽度调制(PWM：开关周期T不变，改变开关导通时间Ton。(2)频率调制：开关导通时间不变，改变开关周

4、期 To(3)混合型：开关导通时间和开关周期 T都可控，改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT,它集中了电力MOSFET GTR勺优点。四、总体电路设计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下图所示。下图降压斩波电路结构框图在下图结构框图中，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

5、现象损 害电路设备。五、各功能模块电路设计控制电路设计驱动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。因为斩波电路有三种控制方式，又因为 pwr制技术应用最为广泛，所以采 用PWM!制方式来控制IGBT的通断。PWM!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。 对于PW暇生芯片，我选用了

6、 SG35255片，其引脚图如图1所示，它是一款专 用的PWME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。/PJEFIN-M*10=VCCOSCOUTOUTBRTCT门沟门工作原理由于SG3525勺振荡频率可表示为 ：f 1 Ct(0.7Rt 3Rd)式中:Ct, 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。根据需求需要频率为 40kHz,所以由上式可取Ct=0.01世 F, Rt= 1k ,Rd=600f=40kHz,满足要求。图2控制电路SG3525W过流保护的功能，可以通过改变

7、 10脚电压的高低来控制脉冲波的 输出。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 PW限。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、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

8、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。驱动电路设计驱动电路方案选择IGBT是电力电子器件,控制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。对驱动电路进行以下设计。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

9、电源，具 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。图3驱动电路工作原理如图3所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。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。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。保护电路设计过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 一定电压值时，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

10、。主电路器件保护当达到一定电压值时，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所示。-c6|Mvdo图4 RC阻容过电压保护电路图负载过压保护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Uomte

11、高10端电位，从而使 10端上的信号为高电平时，PWI存器将立即动作，禁止SG3525勺输出，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。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=2X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

12、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在主电路用 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 的负载端用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：U

13、o= (1+R12/R10) *Ui ,取放大10倍，即1+R12/R10=10 ,所以取R12=9K R10=1K放大后把它接到比较器中比 较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以 R13=2K R14=2K R15=10K R16=2KJV图5过流保护电路六、总体电路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

14、化，不可取。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型 的IGBT管，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。工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图6所示：图6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 7所示：图7降压电路波形图当1工1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，

15、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。ton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；a为导通占空比。通过调节占空比a使输出到负载的电压平均值 U0最大为E,若减小占空比 a ,则U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值 Uo最大为Ui ,若减 小占空比a ,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。参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBK二极管、直流电源、电感、电阻值 的确定，其参

16、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 姆定律可得负载电阻值为10-80020欧姆。(3)IGBT由图7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=1时，IGBT有最大电流，具值为5A。故需选择集电极最大连续V的IGBT,而一般的IGBT都满足要求。 电流Ic=10A,反向击穿电压Bvceo 200(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, IN10A的二极管。U0(5)电感 由上面所选的电阻 20欧姆，

17、根据欧姆定律：当 Uo=80V时， Iomax=4A;当 Uo=50V寸,Iomin=2.5A;根据电感电流连续时电感量临界值条件：L=Uox ( 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=0.125mH所以只要所取电感L0.125mH，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=Uox(Ud Uo)/8LCf2Ud可得 LC = 0.195 uHxF取 C=0.47mF七、总结经过电力电子课程学习，真的是获益不少。当看到这个任务书的时候感觉真 正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于

18、可以用上了。 于是拿起了课题认真 的看了看，结果发现一头雾水，就大概知道一个主电路而已。而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事，只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的内部是怎么接线的。于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了 IGBT降压斩波电路主电路的设计，在PWMI制技 术那一章中掌握了控制电路的设计。经过学习，不仅让我加深了很多课本上的知识，也让我懂得了很多其它的。对于仿真，首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常见的器件。还 有一些元件的元件库也没有加载，因为不知道那些元件属于哪个元件库,感觉真 的好麻烦啊，后来经过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。以前课本上所学的东 西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如何使你设计