电力电子降压斩波电路设计

/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探讨趋势。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和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和功率晶体管之间，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袤的发展前景，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。方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由限制电路，驱动电路，爱惜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限制电路依据系统的工作要求形成限制信号，通过驱动电路去限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，当限制电路所产生的限制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。依据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、限制电路、驱动及爱惜电路，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，限制电路是用来产生降压斩波电路的限制信号，限制电路产生的限制信号传到驱动电路，驱动电路把限制信号转换为加在开关限制端，可以使其开通或关断的信号。通过限制开关的开通和关断来限制降压斩波电路的主电路工作。限制电路中的爱惜电路是用来爱惜电路的，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主电路方案依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限制电路的通断即变更占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以依据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简洁的方案，干脆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沟通降压，再把沟通变直流，这种方案把本该简洁的电路困难化，不行取。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限制较为简洁，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简洁等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2工作原理依据所学的学问，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运用一个全控器件IGBT限制导通。用限制电路和驱动电路来限制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=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3所示：图3降压电路波形图当时刻，限制IGBT关断，负载电流经二极管续流，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为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。通过调整占空比α使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比α，则Uo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α，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须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0.1-5可得负载电阻值为，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有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流=，反向击穿电压的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，的二极管。(5)电感由上面所选的电阻20欧姆，依据欧姆定律： 当Uo=80V时，Iomax=4A;当Uo=50V时，Iomin=2.5A;依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=0.125mH，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：可得LC>=0.195uH*F取C=0.47mF4.限制电路设计4.1限制电路方案选择限制电路须要实现的功能是产生限制信号，用于限制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调整达到限制输出电压大小的目的。斩波电路有三种限制方式：1.保持开关周期T不变，调整开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，变更开关周期T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比变更，称为混合型。因为斩波电路有这三种限制方式，又因为PWM限制技术应用最为广泛，所以接受PWM限制方式来限制IGBT的通断。PWM限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，变更脉冲的占空比来获得所需的输出电压。变更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须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限制。图4.1SG3525引脚图对于限制电路的设计其实可以有许多种方法，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发生芯片来限制。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限制。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限制集成电路芯片，它接受恒频调宽限制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和爱惜电路等。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。依据系统的动态、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脚的电压为高电平常，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：4.1式中:,分别是和脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是和脚7相连的放电端电阻值。依据任务要求须要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01μF,=,=。可得f=40kHz，满足要求。图4.2限制电路SG3525有过流爱惜的功能，可以通过变更10脚电压的凹凸来限制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流爱惜电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流爱惜，同理也可以用10端进行过压爱惜，如图4.2所示10端外接过压过流爱惜电路。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脚始终处于低电平，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更时能够通过1、2所接的误差放大器来限制输出脉宽的占空比，若负载电位上升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。调整变位器使得1端得到不同的基准电位，限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限制芯片介绍本限制电路是以SG3525为核心构成,SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用，它集成了PWM限制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图4.3所示,它接受恒频脉宽调制限制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和爱惜电路等.调整Ur的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,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4.3SG3525A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，有短路电流爱惜的电压调整器。它供电给全部内部电路，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阻值确定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD确定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调整死区的时间，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为：（3.1）在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用供应了便利。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确定，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1.8~3.4V，须要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。3524的误差放大器、电流限制器和关闭限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，误差放大器和关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避开了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。(4)闭锁限制端10利用外部电路限制10脚电位，当10脚有高电平常，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压爱惜等。(5)有软起动电路比较器的反相端即软起动限制端8，端8可外接软起动电容。该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。达到2.5V所经的时间为。点空比由小到大（50％）变更。(6)增加PWM锁存器使关闭作用更牢靠比较器（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，即使过流信号立刻消逝，锁存器也可维持一个周期的关闭限制，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、振铃及系统全部的跳动和振荡信号消退了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于牢靠性提高。(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管构成，每管有抗饱和电路和过流爱惜电路，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须要，末级接受推拉式电路，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，使流出和吸取间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。运用时VC接一个0.1μf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，限制电路产生的限制信号一般难以以干脆驱动IGBT。因此须要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响限制电路的正常工作，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。该驱动部分是连接限制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定和牢靠性干脆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）动态驱动实力强，能为IGBT栅极供应具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。2）能向IGBT供应适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT牢靠截止。3）具有栅压限幅电路，爱惜栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V，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允许时间内通过慢慢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逝而受到影响。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：接受光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其供应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。另外它运用比较便利，稳定性比较好。但是它须要较多的工作电源，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：接受变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简洁，延迟小。但是它不能实现自动过流爱惜，不能实现随意脉宽输出，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须要限制，运用光耦电路，运用便利，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干脆用光耦电路进行主电路和限制电路隔离，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爱惜电路是利用限制芯片10端来设计的，且干脆用光耦电路比较简洁，所以我没有用驱动芯片而是干脆用光耦电路。5.2工作原理如图5.2所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路供应电气隔离环节。一般电气隔离接受光隔离或磁隔离。光隔离一般接受光耦合器，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。本电路中接受的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。接受的光耦是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：限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，从而把输出的限制信号放大6.爱惜电路设计6.1过压爱惜电路过压爱惜要依据电路中过压产生的不同部位，加入不同的爱惜电路，当达到—定电压值时，自动开通爱惜电路，所以可分为主电路器件爱惜和负载爱惜。主电路器件爱惜当达到—定电压值时，自动开通爱惜电路，使过压通过爱惜电路形成通路，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，爱惜了电力电子器件。为了达到爱惜效果，可以运用阻容爱惜电路来实现。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。和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和电容产生振荡，过电压爱惜电路如图6.1.1图RC阻容过电压爱惜电路图负载过压爱惜如图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，输出端接限制芯片10端，当负载端电压达到确定的值，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常，PWM琐存器将立刻动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将起先放电。假如该高电平持续，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，从而实现过压爱惜。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=2k。图负载过压爱惜6.2过流爱惜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、触发电路或限制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及沟通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实力相对较差，必需对变换器进行适当的过流爱惜。过流爱惜的方法比较多，比较简洁的方法是一般接受添加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爱惜。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，也是利用限制电路芯片的第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，运用过压爱惜原理同样能实现过流爱惜。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，须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上升，和过压爱惜一样原理，所以R13=