1、 直流降壓斬波電路的設(shè)計 直流降壓斬波電路的設(shè)計摘要: 本實驗設(shè)計的是Buck降壓斬波電路，采用全控型器件IGBT。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路。關(guān)鍵詞:降壓斬波，主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路。引言：直流傳動是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而開關(guān)電源則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的一大熱點。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動機傳動、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式，頻率調(diào)制方式和混合型。脈寬調(diào)制方式較為通用。當(dāng)今世界軟

2、開關(guān)技術(shù)使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)得變化和飛躍。美國VICOR公司設(shè)計制造得多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)得功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（8090）%。日本NemicLambda公司最新推出得一種采用軟開關(guān)技術(shù)得高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為200300KHz,功率密度已達27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。1設(shè)計目的 直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流直流變換器（DC/DC Conv

3、erter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流交流直流的情況， 其中IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與GTR的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，輸入阻抗高，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點，因此發(fā)展很快。2 設(shè)計任務(wù)與要求 2.1

4、設(shè)計任務(wù) 要求設(shè)計降壓斬波電路的主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓100V的設(shè)計2.2 設(shè)計要求對Buck降壓電路的基本要求有以下幾點：1.輸入直流電壓：Ud=100V2.開關(guān)頻率40KHz3.輸出電壓范圍50V80V4.輸出電壓紋波：小于1%5.最大輸出電流：5A（在額定負載下）6.具有過流保護功能，動作電流：6A7.具有穩(wěn)壓功能8.效率不低于70%3 設(shè)計內(nèi)容 根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 電路框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的

5、控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制IGBT的開通和關(guān)斷來控制IGBT降壓斬波電路的主電路工作。保護電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓和欠電壓等現(xiàn)象損害電路設(shè)備。3.1 設(shè)計方案的選定與說明3.2 降壓斬波電路3.2.1 降壓斬波電路原理式中為V處于通態(tài)的時間；為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。降壓斬波電路的占空比小?。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：1） 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間不變，稱為PWM。2） 保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，

6、改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型但是普遍采用的是脈沖寬調(diào)制工作方式。因為采用頻率調(diào)制工作方式，容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計也比較困難。此電路就是采用脈沖寬調(diào)制控制IGBT的通斷。3.3 降壓斬波電路主電路設(shè)計3.3.1 BUCK降壓斬波主電路在電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。IGBT降壓斬波電路的主電路圖如下圖2所示。它是一種降壓型變換器，其輸出電壓平均值U，總是小于輸入電壓。該電路使用一個全控型器件V，為IGBT。在V關(guān)斷時，為了給負載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。圖2 降壓斬波主電路圖3.3.2主電路

7、元器件參數(shù)選擇主電路中需要確定參數(shù)的元器件有直流電源、IGBT、二極管、電感、電容、電阻值，其參數(shù)選擇如下說明：(1) 對于電源，因為題目要求輸入直流電壓為100V，所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源。(2)IGBT 由圖2易知當(dāng)IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流5A，反向擊穿電壓B100v的IGBT。如果考慮2倍的安全裕量需選擇集電極最大連續(xù)電流10A，反向擊穿電壓200V的IGBT。 (3)二極管 當(dāng)=1時，其承受最大反壓100V；而當(dāng)趨近于1時，其承受最大電流趨近于5A，故需

8、選擇100v,I5A的二極管?？紤]2倍的安全裕量： =2=200V =1xIt=2x5=10A(4)電感 選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流，此時的臨界電感為： L=（）/2fI。設(shè)輸出電壓為80V，則L=80x（10080）/2x1000x40x100x5=0.04mH所以電感L=0.04mH，取L=0.1mH。(5) 電容 選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%，也不能取的太大，否則會使電路的速度變得很慢。電容的選擇：也取輸出電壓為80V時來算C=（）/8Lff =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF這里取C=13uF。(6)電阻R 因為輸出電

9、壓為50V80V時，而輸出的最大電流為5A。所以由歐姆定律R=U/I可得負載電阻值為最小取值在10。3.4 降壓斬波電路控制電路的設(shè)計3.4.1控制電路及器件選擇3.4.1.1 因為斬波電路有三種控制方式，又因為PWM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。3.4.1.2 SG3525芯片它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。SG3525是定頻PWM電路，采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝。其各引腳功能如圖4所示，內(nèi)部框圖如圖5所示。 圖4 SG3525的引腳 圖5 內(nèi)部框圖 S

10、G3525各引腳具體功能：（1）引腳1：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。（2）引腳2：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端之間接入信號不同的反饋網(wǎng)絡(luò)。（3） 引腳3：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)外電路同步。（4） 引腳4：振蕩器輸出端。（5）引腳5：振蕩器定時電容接入端。（6） 引腳6：振蕩器定時電阻接入端。（7）引腳7：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，形成放回路。（8） 引腳8：軟啟動電容接入端。（9） 引腳

11、9：PWM信號輸入端。（10） 引腳10：外部關(guān)斷信號輸入端。（11） 引腳11：輸出端A。（12） 引腳12：信號地。（13） 引腳13：輸出級偏置電壓接入端。（14） 引腳14：輸出端B。（15） 引腳15：偏置電源接入端。（16） 引腳16：基準(zhǔn)電源輸出端。SG3525芯片特點如下：（1） 工作電壓范圍：8-35v。（2） 5.1V微調(diào)基準(zhǔn)電源（3） 振蕩器頻率工作范圍：100Hz-500kHz。（4） 具有振蕩器外部同步功能（5）死區(qū)時間可調(diào)。（6） 內(nèi)置軟啟動電路。（7） 具有輸入欠電壓鎖定功能。（8） 具有PWM鎖存功能，禁止多脈沖。（9）逐個脈沖關(guān)斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉

12、電流）：Ma(峰值)其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。3.4.2控制電路原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7

13、相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2。可得f=39.1kHz，基本上等于實際40 kHz即滿足要求。 SG3525有保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而13腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。由此可以得出控制電路的電路圖如圖6所示：圖6 控制電路圖3.5 驅(qū)動電路原理與設(shè)計3.5.1本實驗采用光電耦合式驅(qū)動電路該電路

14、雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1s的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合3.5.2 驅(qū)動電路工作分析：驅(qū)動電路的電路圖如圖7所示：接IGBT源極接IGBT柵極PWM調(diào)制 圖7 驅(qū)動電路原理圖如圖7所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進行放大。采用推挽電路進行放大的原因是因為驅(qū)動IGBT的電壓叫高，約為12V左右，而SG3525

15、芯片提供的電壓只有5V左右，直接連入無法驅(qū)動IGBT。并且推挽式電路簡單實用，故用推挽式進行電壓放大。IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有A級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。3.6保護電路原理與設(shè)計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓、過電流、保護和 保護也是必要的。3.6.1 過電壓保護電路：過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同

16、部位，加入不同的保護電路，當(dāng)達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。本次設(shè)計的電路要求輸出電壓為50V80V，所以當(dāng)輸出電壓設(shè)定時，一旦出現(xiàn)過電壓，為了保護電路和器件，應(yīng)立刻將電路斷開，及關(guān)斷IGBT的脈沖，使電路停止工作。因為芯片SG3525的引腳10端為外部關(guān)斷信號輸入端，所以可以利用SG3525的這個特點進行過壓保護。當(dāng)引腳10端輸入的電壓等于或超過8V時，芯片將立刻鎖死，輸出脈沖將立即斷開。所以可以從輸出電壓中進行電壓取樣，并將取樣電壓通過比較器輸入10端，從而實現(xiàn)電壓保護。如圖6所

17、示：取樣電壓的方法是在U。端串聯(lián)兩個電阻再通過在電阻中分得的電壓連入比較器的正端，與連入負端的基準(zhǔn)電壓（5V）進行比較。正常狀態(tài)下，取樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，此時比較器輸出的是負的最大值，芯片正常工作，當(dāng)出現(xiàn)過電壓是，取樣電壓高于基準(zhǔn)電壓，此時輸出高電平15V，在通過電阻分壓得到5V的高電平送入芯片的10端，使其鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實現(xiàn)過壓保護。設(shè)計的過壓保護電路圖如圖8所示：取樣電壓接入SG3525的10端 圖8 過壓保護電路原理圖3.6.2過電流保護電路當(dāng)電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流

18、側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當(dāng)?shù)倪^流保護。本次設(shè)計要求具有過流保護功能，在電流達到6A時動作。因為前面說過，SG3525的引腳10端在輸入一個高電平時具有自鎖功能，所以仍然可以利用這個方法進行過流保護。主要思想是將過電流轉(zhuǎn)化為過電壓。具體的做法是在干路上串聯(lián)一個很小的功率電阻，再在這個小電阻上并聯(lián)一個大電阻，從而進行過電流與過電壓的轉(zhuǎn)化。將轉(zhuǎn)化的電壓連入比較器于一個基準(zhǔn)電壓(取0.6V)相比較，就是在基準(zhǔn)5.1V經(jīng)過電阻分壓得到0.6V,再將輸出經(jīng)降壓后得到5V后連入SG35

19、25的10端。在正常狀態(tài)下連入的電壓小于基準(zhǔn)電壓，此時，輸出一個負的最大值，芯片不會鎖死，正常工作。而當(dāng)過電流時，轉(zhuǎn)化的電壓高于基準(zhǔn)電壓，此時輸出一個高電平，芯片的10端鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實現(xiàn)過流保護。設(shè)計的過流保護電路如圖9所示：接入SG3525的10端過流保護輸入圖9 過電流保護原理電路圖3.6.3 IGBT的保護IGBT如果不采取保護，它很容易損壞。一般認(rèn)為IGBT要原因有兩種：一是IGBT退出飽和區(qū)而進入了放大區(qū)，使得開關(guān)損耗增大；二是發(fā)生短路，產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，從而使IGBT損壞。下面是對IGBT進行設(shè)計的保護電路。RC串聯(lián)電路可以對IGBT進行過電壓保護

20、，而反向二極管可以對IGBT進行過電流保護。在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時電流迅速上升，di/dt很大；關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。在有緩沖電路的情況下；V開通時C5通過R34向V放電，使先上一個臺階，以后因有，上升速度減慢；V關(guān)斷時負載電流通過VD向C5分流，減輕了V的負擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。VD和R34的作用是在V關(guān)斷時，給提供釋放儲能的回路。如圖11所示： 圖11 IGBT保護電路3.7設(shè)計穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓100V題目只給直流電壓=100V，而運算放大器和SG3525芯片需要15V的工作電壓。如圖12所示，先用變壓器將220V降壓為22V的交流電，

21、再經(jīng)過橋式整流得到直流電壓。通過濾波電容濾波后，用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成15V的電壓輸出。其中變壓器匝數(shù)比為220V/24V,電容C1=100uF并且耐壓50V，三端集成穩(wěn)壓器型號為7815。選擇二極管型號為IN4003。同時再將220V通過變壓器降壓后，再通過橋式整流，再接濾波電容濾波后，即可得到直流電壓=100V。 圖12 穩(wěn)壓15V電路4 元器件清單器件名稱規(guī)格與型號數(shù)量絕緣柵雙極型晶體管200V/10A1個續(xù)流二極管IN414B1個電感0.1mH1個電容100uF/13uF/1uF/0.1uF2/1/2/1個二極管IN400311個金屬膜電阻20/6.2/10/123/1/3/1 個金屬

22、膜電阻88.7/500/2K/1K1/1/4/5個金屬膜電阻19.1K/5.1K/95.3K/75K1/2/1/1個三極管PNP型.NPN型各1個滑動變阻器1K1個PWM控制器SG35251片光耦合器6N1362個運算放大器LM3241片三端集成穩(wěn)壓器件78151個或門74LS321片功率電阻0.1/60W2個變壓器220V/24V1個結(jié)束語直流降壓斬波電路主要分為三個部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊，驅(qū)動電路模塊，除了上述主要模塊之外，還必須考慮電路中電力電子器件的保護，以及控制電路與主電路的電氣隔離。IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前

23、景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應(yīng)用中需要注意以下問題:（1）系統(tǒng)損耗的問題；2）柵極電阻；（3）驅(qū)動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。此斬波電路中IGBT的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試?；仡櫰鸫舜坞娏﹄娮诱n程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且培養(yǎng)了我的自學(xué)能力，特別是對PWM控制技術(shù)的學(xué)習(xí)。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。