电力电子课程设计直流斩波Word下载.docx

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利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。

全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。

目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。

所以，此课程设计选题为：

设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。

主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。

1设计要求与方案…………………………………………………………………3

2直流电源设计……………………………………………………………………3

2.1设计原理…………………………………………………………………3

2.2参数计算……………………………………………………………………4

3降压斩波主电路设计…………………………………………………………5

3.1BUCK电路工作原理………………………………………………………5

3.2主电路参数分析……………………………………………………………6

4控制电路原理与设计……………………………………………………………6

4.1控制电路方案选择…………………………………………………………7

4.2控制电路工作原理…………………………………………………………8

5驱动电路原理与设计……………………………………………………………8

5.1驱动电路方案选择…………………………………………………………8

5.2驱动电路分析设计…………………………………………………………8

6保护电路原理与设计……………………………………………………………9

6.1过电压保护…………………………………………………………………9

6.2过电流保护…………………………………………………………………11

设计心得……………………………………………………………………………12

参考文献……………………………………………………………………………12

致谢………………………………………………………………………………12

附录………………………………………………………………………………13

1.设计要求与方案

设计要求是输出电压Uo=50V-200V可调的DC/DC变换器，这里为降压斩波电路。

由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。

IGBT的通断用PWM控制，用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。

降压斩波主电路原理图如图1.1所示：

图1.1降压斩波主电路的原理图

2.直流电源设计

2.1设计原理

小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图如图2.1所示，其各电压波形如图2.2所示：

图2.1直流电源原理框图

图2.2直流电源波形图

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。

电源变压器的效率为：

，其中：

是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。

一般小型变压器的效率如表2.1所示：

表2.1小型变压器效率

因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。

在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。

滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。

与交流电压的有效值的关系为：

；

在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：

流过每只二极管的平均电流为：

2.1

2.2参数计算

根据滤波电路的输出电压UI，确定电源变压器副边电压的有效值；

根据滤波电路的最大输出电流，确定流过电源变压器副边的电流和电源变压器副边的功率；

根据，从表2.1查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率。

然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。

根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。

依据上述设计步骤，对本次课程的直流电源进行设计，输出电压为。

最大输出电流假设为1A,则由可知：

2.2

变压器副边电流：

因此，变压器副边输出功率：

。

由于变压器的效率，变压器原边输入功率，所以选用功率为300W的变压器。

再选用整流二极管和滤波电容，由于：

，

IN4004的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4004。

由于电路对纹波无要求，而电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为500μF，耐压为300V的电解电容。

3.降压斩波主电路设计

3.1BUCK电路工作原理

图3.1BUCK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=E，负载电流按指数曲线上升。

电路工作时波形图如图3.2所示：

图3.2电流持续时波形图

当时刻，控制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

3.1

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。

通过调节占空比α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。

此电路采用PWM方式控制IGBT的通断。

3.2主电路参数分析

主电路中需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200V。

其直流稳压电源模块前面已完成，以该直流稳压电源作为系统电源。

（2）电阻因为当输出电压为200V时，假设输出电流为0.1-1A。

所以由欧姆定律可得负载电阻值为，可得到电路电阻应该在。

（3）IGBT由图3.1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200V；

而当=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。

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）二极管当=1时，其承受最大反压200V；

而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择，的二极管。

（5）电感选择大电感L（为700mL）。

4.控制电路原理与设计

4.1控制电路方案选择

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。

图4.1SG3525引脚图

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，其引脚图如图4.1所示，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。

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。

4.2控制电路工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为：

4.1

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50kHz，所以由上式可取=1μF,=,=。

可得f=49.02kHz，基本满足要求。

图4.2控制电路部分电路图

SG3525有过流保护的功能，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，如图4.2所示。

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PWM波。

5.驱动电路原理与设计

5.1驱动电路方案选择

该驱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：

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1μs的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。

本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，所以选择此方案。

5.2驱动电路分析与设计

针对以上分析，我选取了EXB841驱动芯片。

它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。

下面简单介绍一下它的工作原理。

如图5.1所示，其工作电源为独立电源20±

1V，内部含有-5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。

当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT导通；

而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使ICBT关断；

若ICBT导通时，若承受短路电流，则其电压随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下降，从而逐渐关断ICBT。

图5.1EXB841内部结构图

利用EXB841驱动芯片设计其驱动电路原理图如图5.2所示，两个47uf电容用于吸收噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。

当Vce>

7