降压斩波变换技术的工程应用.doc

目 录

一、 引言………………………………………………………………………………3
二、设计任务…………………………………………………………………………3
2.1.1 课程设计目的…………………………………………………………………3
2.1.2 设计的环节……………………………………………………………………3
三、设计方案选择及论证………………………………………………………………3
四、总体电路设计…………………………………………………………………… 4
五、各功能模块电路设计………………………………………………………………4
5.1控制电路设计……………………………………………………………………4
5.1.1驱动电路方案选择 ……………………………………………………………… 4
5.1.2工作原理……………………………………………………………………… 5
5.2驱动电路设计………………………………………………………………………… 6
5.2.1 驱动电路方案选择…………………………………………………………… 6
5.2.2工作原理………………………………………………………………………… 6
5.3保护电路设计…………………………………………………………………… 7
5.3.1过压保护电路…………………………………………………………………7
53.2 主电路器件保护………………………………………………………………7
5.3.3 负载过压保护……………………………………………………………………7
5.3.4 过流保护电路……………………………………………………………………8
六、总体电路……………………………………………………………………………9
6.1 主电路方案…………………………………………………………………………9
6.2 工作原理………………………………………………………………………………9
6.3参数分析…………………………………………………………………………………11
七、总结……………………………………………………………………………………11
八、参考文献……………………………………………………………………………12

一、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。随着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。
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。
GBT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。

二、 设计任务
2.1.1 课程设计目的
1、培养文献检索的能力，特别是如何运用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。

2.1.2 设计的环节
⑴ 根据给出的技术规定，拟定总体设计方案
⑵ 选择具体的元件，进行系统的设计
⑶ 进行相应的电路设计，完毕相应的功能
⑷ 进行调试与修改
⑸ 撰写课程设计说明书

三、设计方案选择及论证
斩波电路有三种控制方式
（1） 脉冲宽度调制（PWM）：开关周期T不变，改变开关导通时间Ton。
（2） 频率调制：开关导通时间不变，改变开关周期T。
（3） 混合型：开关导通时间和开关周期T都可控，改变占空比。
本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT，它集中了电力MOSFET和GTR的优点。

四、总体电路设计
根据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，控制电路是用来产生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开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

五、各功能模块电路设计
5.1控制电路设计
5.1.1驱动电路方案选择
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成控制输出电压大小的目的。
由于斩波电路有三种控制方式，又由于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，只是由于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。

图4.1 SG3525引脚图
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。

5.1.2 工作原理
由于SG3525的振荡频率可表达为 ：

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。根据需求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01μF, = ,=。可得f=40kHz，满足规定。

图4.2 控制电路

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，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脚一直处在低电平，从而正常的输出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端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时可以通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，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端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。

5.2驱动电路设计
5.2.1 驱动电路方案选择
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。此外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，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。
对驱动电路进行以下设计。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。此外它使用比较方便，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1us的时间滞后，不适应于某些规定比较高的场合。

5.2.2工作原理

图5.2 驱动电路

如图5.2所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是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。
原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再通过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。

5.3保护电路设计
5.3.1 过压保护电路
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达成—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。
5.3.2 主电路器件保护
当达成—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，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
为了达成保护效果，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，可以有效地克制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时克制电路中的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

5.3.3 负载过压保护
如图6.1.1所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达成一定的值，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时，PWM琐存器将立即动作，严禁SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。假如该高电平连续，软启动电容将充足放电，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 6.1.2 负载过压保护

5.3.4 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、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。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。
过流保护的方法比较多，比较简朴的方法是一般采用添加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保护。如图1 在主电路串接一个快速熔断丝。
尚有一种方法如图6.2所示，也是运用控制电路芯片的第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，后再运用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。
电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，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 , 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升高，与过压保护同样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。

图6.2 过流保护电路

六、总体电路
6.1 主电路方案

根据所选课题设计规定设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简朴的方案，直接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交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简朴的电路复杂化，不可取。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，由于IGBT控制较为简朴，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简朴等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

6.2 工作原理
根据所学的知识，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，反复上一周期的过程。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处在通态的时间；为处在断态的时间；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。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，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。

6.3参数分析
主电路中需要拟定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的拟定，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50-80V时，假设输出电流为0.1-5A。所以由欧姆定律

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都满足规定。
(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，根据欧姆定律：
当Uo=80V时，Iomax=4A;
当Uo=50V时，Iomin=2.5A;
根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可以连续，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 设计规定输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：

可得 LC >= 0.195 uH*F
取C=0.47mF

七、总结
通过电力电子课程学习，真的是获益不少。当看到这个任务书的时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了。于是拿起了课题认真的看了看，结果发现一头雾水，就大约知道一个主电路而已。
而至于控制电路和保护电路主线就不知道怎么回事，只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的内部是怎么接线的。于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了IGBT降压斩波电路主电路的设计，在PWM控制技术那一章中掌握了控制电路的设计。
通过学习，不仅让我加深了很多课本上的知识，也让我懂得了很多其它的。对于仿真，一方面很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常见的器件。尚有一些元件的元件库也没有加载，由于不知道那些元件属于哪个元件库……感觉真的好麻烦啊 ，后来通过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。以前课本上所学的东西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如何使你设计出来的电路是最简朴的 ，最容易实现的；所用的器件应当用什么型号的才合适等等，都是需要我们在设计过程中要好好考虑的。

八、参考文献
1．黄家善， 《电力电子技术》 北京： 机械工业出版社；
2．周克宁，《电力电子技术》北京：机械工业出版社，2023；
3．王兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。北京：机械工业出版社，2023；
4．李 宏，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》（1～4册）北京：机械工业出版社，2023；
5．石玉、栗书贤，《电力电子技术题例与电路设计指导》北京： 机械工业出版社；
6．叶斌《电力电子应用技术及装置》北京：铁道出版社，1999；
7．王维平，《现代电力电子技术及应用》南京：东南大学出版社，1999；