电力电子谢曜臣.doc

《电力电子技术》课程设计说明书

直流降压斩波电路

学 院： 电气与信息工程学院
学生姓名： 谢曜臣
指导教师： 肖文英 职称/学位 副教授
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 电气本1205班
学 号： 1230140531
完成时间： 2015年06月

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书
学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业\自动化专业
指导教师
肖文英
学生姓名
谢曜臣
课题名称
直流降压斩波电路的设计

内容及任务

一、设计任务
设计一个直流降压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在50～100V可调，其它性能指标自定。
二、设计内容
1、关于本课程学习情况简述；
2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；
3、控制电路的设计；
4、保护电路的设计；
5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。

主要参考资料
[1] 王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2010
[2] 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991
[3] 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996
教研室
意见

教研室主任：（签字）
年 月 日

摘 要

直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子领域的一大热点。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式，频率调制方式和混合型。脉宽调制方式较为通用。本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。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。
最终，通过设计要求实现了本次设计的目的。在这次设计中我主要负责资料的搜集。

关键词 ： 降压斩波；主电路；控制电路；驱动及保护电路

I

目 录

1 绪论 1
2 设计任务及方案选定 2

2.1 设计任务 2
2.2 设计要求 2
2.3 设计方案的选定与说明 2
3 降压斩波电路主电路设计 3
3.1 降压斩波电路原理 3
3.2 BUCK降压斩波主电路 4
3.3 主电路元器件选择 4
4 降压斩波控制与驱动电路的设计 6
4.1 控制电路及器件选择 6
4.2 控制电路原理 8
4.3 驱动电路原理与设计 8
4.3.1 本实验采用光电耦合式驱动电路 8
4.3.2 驱动电路工作分析 9
5 保护电路原理与设计 10
5.1 过电压保护电路 10
5.2 过电流保护电路 11
5.3 IGBT的保护 12
6 系统仿真及结论 13
6.1 仿真软件的介绍 13
6.2 仿真电路图 14
6.3 仿真结果及分析 14
结束语 16
参考文献 17
致 谢 18

1 绪论

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， 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。

2 设计任务及方案选定

2.1 设计任务
要求设计降压斩波电路的主电路、控制电路、驱动及保护电路，稳压直流电源15V和直流电压200V的设计。
2.2 设计要求
对Buck降压电路的基本要求有以下几点：
1.输入直流电压：Ud=200V
2.开关频率40KHz
3.输出电压范围50V~80V
4.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：6A
7.具有稳压功能
8.效率不低于70%
2.3 设计方案的选定与说明
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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

3 降压斩波电路主电路设计

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。
3.1 降压斩波电路原理

(1)

(2)

式中为V处于通态的时间；为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。降压斩波电路的占空比小于1。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：
1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间不变，称为PWM。
2)保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3)和T都可调，使占空比改变，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。
图2 降压斩波电路原理图
3.2 BUCK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3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。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3 降压斩波主电路图
3.3 主电路元器件选择
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，因为任务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4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>5A，反向击穿电压B>100v的IGBT。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流》10A，反向击穿电压》200V的IGBT。
(3)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>100v,I>5A的二极管。考虑2倍的安全裕量： =2=200V =1xIt=2x5=10A
(4)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=（—）/2fI。 (3)
设输出电压为80V，则L=80x（100—80）/2x1000x40x100x5=0.04mH,所以电感L>=0.04mH，取L0.1mH。
(5)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=（—）/8LΔff (4)
=80x（100—80）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF,这里取C=13uF。
(6)电阻R 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10Ω。

4 降压斩波控制与驱动电路的设计

41 控制电路及器件选择
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。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5所示，内部框图如图4所示。

图4 内部框图

图5 SG3525的引脚
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。
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。
4.2 控制电路原理
由于SG3525的振荡频率可表示为 ： (5)

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。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。
SG3525有保护的功能，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。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13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。
由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：

图6 控制电路图
4.3 驱动电路原理与设计

4.3.1 本实验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。
4.3.2 驱动电路工作分析
驱动电路的电路图如图7所示：

PWM调制

接IGBT栅极

接IGBT源极

图7 驱动电路原理图
如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。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。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

5 保护电路原理与设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。
5.1 过电压保护电路
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。
本次设计的电路要求输出电压为50V—80V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过压保护。当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。
如图7所示：取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压（5V）进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压是，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。
取样电压
设计的过压保护电路图如图8所示：

接入SG3525的10端

图8 过压保护电路原理图

5.2 过电流保护电路
当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。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。
本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。
设计的过流保护电路如图9所示：

过流
保护输入

接入SG3525的10端

图9 过电流保护原理电路图

5.3 IGBT的保护
IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为IGBT要原因有两种：一是IGBT退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是ＩＧＢＴ发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，IGBT开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使先上一个台阶，以后因有，上升速度减慢；V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给提供释放储能的回路。如图10所示：

图10 IGBT保护电路

6 系统仿真及结论

6.1 仿真软件的介绍
此次仿真使用的是MATLAB软件。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
　　Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，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基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

6.2 仿真电路图
图12 降压斩波的MATLAB电路的模型
6.3 仿真结果及分析
MATLAB的仿真结果如下（第一个波形为PWM控制信号，第二个为输出电压Uo,第三个是输出电流Io,第四个为流经IGBT的电流）：

图13 =0.25时的仿真结果

图14 =0.5时的仿真结果

由仿真图计算出输出平均电压Uo与理论值相对比如下表1：
表1

=0.25
=0.5

Uo (V)
Uo (V)
仿真值
49
98
理论值
50
100

（参考公式 ）
上面数据中Uo的仿真值与理论值存在着误差，主要原因是由于理论值是在理想情况下求出的，此时Ｌ取值很大，则输出电流可看做不变化。而在仿真电路中，需要根据实际情况Ｌ与不能取到非常大。所以电流、电压不恒定，存在着振荡，使仿真值与理论值存在差异。
此外，我还仿真了在不同的电感值下的结果。最后发现，电感取得越大，输出电压振荡的脉率越小。图片在此不再赘述。

结束语
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）系统损耗的问题；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。
回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且培养了我的自学能力，特别是对PWM控制技术的学习。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献

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［5］王维平.现代电力电子技术及应用[Ｍ]. 南京：东南大学出版社，1999.
［6］石玉，栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导[Ｍ]. 北京：机械工业出
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［7］叶斌.电力电子应用技术及装置[Ｍ]. 北京：铁道出版社，1999.
［8］周志敏,周纪海.现代开关电源控制电路设计及应用[Ｍ]. 北京：人民邮电
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［10］水平,贾静,方海燕等.开关稳压电源原理及设计北京[Ｍ].北京：人民邮电
出版社,2008.

致 谢

通过这次课程设计，让我学到了很多，使我对书本上的知识掌握得更加牢固，同时也使我了解到同学之间的合作和老师对我的帮助对完成任务的重要性。在此，我十分感谢老师和同学在整个课设过程中给予我的帮助和鼓励，谢谢你们！

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