降压斩波电路专业课程设计.doc

目录一、 引言2二、 设计规定与方案22.1设计规定.22.2 方案拟定.3三、 主电路设计.33.1 主电路方案.33.2 工作原理.43.3 参数分析.5四、 控制电路设计.54.1 控制电路方案选取.54.2 工作原理.64.3 控制芯片简介.7五、 驱动电路设计.95.1 驱动电路方案选取.95.2 工作原理.10六、 保护电路设计.116.1 过压保护电路.116.2 过流保护电路.12七、 系统仿真及结论.13八、 结论.16九、 参照文献.16十、 道谢.17一、引言 随着电力电子技术高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，电子设备种类也越来越多。电子设备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，重量轻和效率高长处而在各种电子信息设备中得到广泛应用。随着着人们对开关电源进一步升级，低电压，大电流和高效率开关电源成为研究趋势。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原则化。DC/DC变换是将固定直流电压变换成可变直流电压，也称为直流斩波。斩波电路重要用于电子电路供电电源，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一种电路，是用IGBT作为全控型器件降压斩波电路，用于直流到直流降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管复合器件。它既有MOSFET易驱动特点，又具备功率晶体管电压、电流容量大等长处。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畴内，故在较高频率大、中功率应用中占据了主导地位。因此用IGBT作为全控型器件降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大长处。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辽阔发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展趋势，增进了IGBT降压斩波电路发展。二、 设计规定与方案 2.1 设计规定 2.1.1 课程设计目1、培养文献检索能力，特别是如何运用Internet检索需要文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题能力。3、培养运用知识能力和工程设计能力。4、提高课程设计报告撰写水平。2.1.2 课程设计规定降压斩波电路设计规定：1、输入直流电压：Ud=100V2、开关频率5KHz3、输出电压20V4、最大输出电流：20A5.L=100mH6.输出功率：400W7.占空比 2.2 方案拟定电力电子器件在实际应用中，普通是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心主电路构成一种系统。由信息电子电路构成控制电路按照系统工作规定形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件导通或者关断来完毕整个系统功能，当控制电路所产生控制信号可以足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。依照降压斩波电路设计任务规定设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路构造框图如图1所示。 图1降压斩波电路构造框图在图1构造框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路控制信号，控制电路产生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信号。通过控制开关开通和关断来控制降压斩波电路主电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流现象损害电路设备。三、 主电路设计3.1 主电路方案 依照所选课题设计规定设计一种降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路通断即变化占空比，从而获得咱们所想要电压。这就可以依照所学buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简朴方案，直接进行直直变换简化了电路构造。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简朴电路复杂化，不可取。至于开关选取，选用比较熟悉全控型IGBT管，而不选半控型晶闸管，由于IGBT控制较为简朴，且它既具备输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简朴等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等长处。3.2 工作原理 依照所学知识，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使用一种全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT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，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。为了使负载电流持续且脉动小，故串联L值较大电感。至一种周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期过程。当电力工作于稳态时负载电流在一种周期初值和终值相等，负载电压平均值为 为IGBT处在通态时间；为处在断态时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。由此可知，输出到负载电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比，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需要拟定参数元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值拟定，其参数拟定如下：(1)电源 规定输入电压为100V。(2)电阻 由于当输出电压为200V时，假输出电流为20A。因此由欧姆定律可得负载电阻值为1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。故需选取集电极最大持续电流=，反向击穿电压IGBT，而普通IGBT都满足规定。 (4)二极管 其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选取，二极管。(5)电感 L=100mH; （6）开关频率 f=5KHz （7）电容 设计规定输出电压纹波不大于1%四、 控制电路设计4.1 控制电路方案选取控制电路需要实现功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件通断，通过对占空比调节达到控制输出电压大小目。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，变化开关周期T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比变化，称为混合型。由于斩波电路有这三种控制方式，又由于PWM控制技术应用最为广泛，因此采用PWM控制方式来控制IGBT通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，变化脉冲占空比来获得所需输出电压。变化脉冲占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是由于输入电压和所需要输出电压都是直流电压，因而脉冲既是等幅，也是等宽，仅仅是对脉冲占空比进行控制。图4.1 SG3525引脚图对于控制电路设计其实可以有诸各种办法，可以通过某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PWM发生芯片来控制。由于题目规定输出电压持续可调，因此我选用普通PWM发生芯片来进行持续控制。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PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部涉及精密基准源、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PWM信号。脚6、脚7 内有一种双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接电阻电容电路共同构成SG3525 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反相输入端、同相输入端。该放大器是一种两级差分放大器。依照系统动态、静态特性规定，在误差放大器输出脚9和脚1之间普通要添加恰当反馈补偿网络，此外当10脚电压为高电平时，11和14脚电压变为10输出。 4.2 工作原理由于SG3525振荡频率可表达为 ： 4.1式中:，分别是与脚5、脚6相连振荡器电容和电阻；是与脚7相连放电端电阻值。依照任务规定需要频率为40kHz，因此由上式可取=0.01F，= ,=。可得f=40kHz，满足规定。 图4.2 控制电路SG3525有过流保护功能，可以通过变化10脚电压高低来控制脉冲波输出。因而可以将驱动电路输出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，由于电阻作用将10脚电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚始终处在低电平，从而正常输出PWM波。SG3525尚有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端变位器得到它一种基准电位，从而当负载电位发生变化时可以通过1、2所接误差放大器来控制输出脉宽占空比，若负载电位升高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。调节变位器使得1端得到不同基准电位，控制输出脉宽占空比，从而可使得输出电压为50-80V范畴。4.3 控制芯片简介本控制电路是以SG3525 为核心构成,SG3525 为美国Silicon General 公司生产专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路构造及各引脚功能如图4.3所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包具有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 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，对微信号进行升压解决，再把通过解决电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路规定。 图4.3 SG3525A 芯片内部构造（1）基准电压调节器基准电压调节器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护电压调节器。它供电给所有内部电路，同步又可作为外部基准参照电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调节器不起作用。（2）振荡器3525A振荡器，除CT、RT端外，增长了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT放电则由5、7端之间外接电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有助于通过RD来调节死区时间，因而是重大改进。这时3525A振荡频率可表为： （3.1）在3525A中增长了同步端3专为外同步用，为各种3525A联用提供了以便。同步脉冲频率应比振荡频率fs要低某些。(3)误差放大器误差放大器是差动输入放大器。它增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件组合。该放大器共模输入电压范畴在1.83.4V，需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误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一种反相输入端，3525A改为增长一种反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器反相端。这样避免了彼此互相影响。有助于误差放大器和补偿网络工作精度提高。(4)闭锁控制端10运用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器输出，因而，可作为软起动和过电压保护等。(5)有软起动电路比较器反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。该电容由内部Vref50A恒流源充电。达到2.5V所经时间为。点空比由小到大（50）变化。(6)增长PWM锁存器使关闭作用更可靠比较器（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，虽然过流信号及时消失，锁存器也可维持一种周期关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。此外，由于PWM锁存器对比较器来置位信号锁存，将误差放大器上噪音、振铃及系统所有跳动和振荡信号消除了。只有在下一种时钟周期才干重新置位，有助于可靠性提高。(7)增设欠压锁定电路电路重要作用是当IC块输入电压不大于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保护电路，每组可输出100mA。组间是互相隔离。电路构造改为保证其输出电平或者是高电平或者是低电平一种电平状态中。为了能适应驱动迅速场效应功率管需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11端（或14端）拉电流和灌电流，达100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸取间浮现重迭导通。在重迭处有一种电流尖脉冲，其持续时间约100ns。使用时VC接一种0.1f电容可以滤去尖峰。另一种局限性处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。五、 驱动电路设计5.1 驱动电路方案选取IGBT是电力电子器件，控制电路产生控制信号普通难以以直接驱动IGBT。因而需要信号放大电路。此外直流斩波电路会产生很大电磁干扰，会影响控制电路正常工作，甚至导致电力电子器件损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离某些。该驱动某些是连接控制某些和主电路桥梁，驱动电路稳定与可靠性直接影响着整个系统变流成败。详细来讲IGBT驱动规定有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具备陡峭先后沿驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同步要保证当IGBT损坏时驱动电路中其她元件不会被损坏。2）能向 IGBT提供恰当正向和反向栅压，普通取+15 V左右正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具备栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压普通为土20 V，驱动信号超过此范畴也许破坏栅极。4）当 IGBT处在负载短路或过流状态时，能在IGBT容许时间内通过逐渐减少栅压自动抑制故障电流，实现IGBT软关断。驱动电路软关断过程不应随输入信号消失而受到影响。针对以上几种规定，对驱动电路进行如下设计。针对驱动电路隔离方式，有如下2种驱动电路，下面对其进行比较选取。方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧均有源。其提供脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT电压和电流状态，对外送出过流信号。此外它使用比较以便，稳定性比较好。但是它需要较多工作电源，其对脉冲信号有1us时间滞后，不适应于某些规定比较高场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路构造简朴，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，并且其对变压器绕制规定严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压规定不高，并且只有一种全控器件需要控制，使用光耦电路，使用以便，因此选取方案1。对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，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。由于我所设计过流保护电路是运用控制芯片10端来设计，且直接用光耦电路比较简朴，因此我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。5.2工作原理如图5.2所示，IGBT降压斩波电路驱动电路提供电气隔离环节。普通电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离普通采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管构成，封装在一种外壳内。本电路中采用隔离办法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用光耦是TLP521-1。为得到最佳波形，在调试过程中对光耦两端电阻要进行合理搭配。 图5.2 驱动电路原理：控制电路所输出信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再通过推挽电路进行放大，从而把输出控制信号放大六、 保护电路设计6.1 过压保护电路过压保护要依照电路中过压产生不同部位，加入不同保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，因此可分为主电路器件保护和负载保护。6.1.1 主电路器件保护当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存电磁能量，从而使过压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，当电路中浮现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变特性，可以有效地抑制电路中过压。与电容串联电阻能消耗掉某些过压能量，同步抑制电路中电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1.1所示。图6.1.1 RC阻容过电压保护电路图6.1.2 负载过压保护如图6.1.1所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一种基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上信号为高电平时，PWM琐存器将及时动作，禁止SG3525输出，同步，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。电阻取值，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 ，因此R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。 图 6.1.2 负载过压保护6.2 过流保护电路当电力电子电路运营不正常或者发生故障时，也许会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、浮现过载、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。由于电力电子器件电流过载能力相对较差，必要对变换器进行恰当过流保护。过流保护办法比较多，比较简朴办法是普通采用添加FU熔断器来限制电流过大，防止IGBT破坏和对电路中其她元件保护。如图1 在主电路串接一种迅速熔断丝。尚有一种办法如图6.2所示，也是运用控制电路芯片第10端。在主电路负载端串接一种很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再运用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻取值，普通取样电阻端所获得电压为零点几伏，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：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 ，因此取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，与过压保护同样原理，因此R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。 图6.2 过流保护电路七：系统仿真及结论7.1 仿真软件简介本次仿真使用是MATLAB软件。Simulink是MATLAB最重要组件之一，它提供一种动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简朴直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。Simulink具备适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等长处，并基于以上长处Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号解决复杂仿真和设计。同步有大量第三方软件和硬件可应用于或被规定应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一种软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号解决建模和仿真中。Simulink可以用持续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不同某些具备不同采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一种建立模型方块图图形顾客接口(GUI) ，这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完毕，它提供了一种更快捷、直接明了方式，并且顾客可以及时看到系统仿真成果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统多领域仿真和基于模型设计工具。对各种时变系统，涉及通讯、控制、信号解决、视频解决和图像解决系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基本之上其她产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务相应工具。Simulink与MATLAB®；紧密集成，可以直接访问MATLAB大量工具来进行算法研发、仿真分析和可视化、批解决脚本创立、建模环境定制以及信号参数和测试数据定义。4.2仿真电路及其仿真成果1.仿真电路图图7.1 降压斩波MATLAB电路模型依照题目规定输出电压平均值为100V，电流为20A。这里是一方面指定电源为100V直流。则最大占空比为20%。先用纯电阻负载，则负载理论阻值应当为1。至于负载回路中大电感，我在这里取100mH。设定好元器件参数之后,还需要设立仿真算法和仿真时间。我设立如下图所示 图7.2仿真设立界面2：MATLAB.仿真成果如下：结论：上面数据与理论值相似，由于使用是仿真软件因此没有误差。重要参照文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.3.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统MATLAB仿真.机械工业出版社.4.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社. 道谢 感谢教师认真指引和同窗们热心协助！