降压斩波电路设计说明.doc

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50V~80V4.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4.1BUCK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 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α,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XX续电流>5A,反向击穿电压Bvceo>100v的IGBT如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最XX续电流》10A,反向击穿电压Bvceo》200V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=200VImin=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〔Ud—U0/2fUdI 设输出电压为80V,则 L=80x〔100—80/2x1000x40x100x5=0.04mH 所以电感L>=0.04mH,取L=0.1mH<6> 电容 选择的电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〔Ud—U0/8LΔUcffUd =80x〔100—80/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF这里取C=13uF<7>电阻RL因为输出电压为50V—80V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10Ω5. 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：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。

根据任务要求需要频率为40kHz,所以由上式可取=1μF,=10Ω,=6.2Ω。