2022年2022年降压斩波电路 .pdf

目录1 引言. . 2 2 方案设计 . . 2 3 单元电路 . . 3 3.1 主电路 . 3 3.1.1 工作原理 . 4 3.1.2 数量关系 . 5 3.1.3 全控型器件 IGBT . 5 3.1.4 参数分析 . 6 3.2 控制电路 . . 7 3.3 驱动电路 . 9 3.3.1驱动电路方案选择 . 9 3.3.2驱动电路分析与设计 . 10 3.4 过压保护与过流保护. 错误！未定义书签。 课程设计总结 . . 15 电子元器件清单 . . 16 总电路图 . . 17 参考文献 . . 18名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计1 1 引言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，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。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。路的发展。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。2 方案设计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。根据 IGBT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IGBT降压斩波电路的结构框图如图1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计2 图 1 IGBT 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。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。3 单元电路3.1 主电路在电气设备或电力系统中，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（a）所示。该电路使用一个全控型器件V，为 IGBT 。为在 V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计3 21L 1mHC10.47mFR20.1R120+-100VVVD1FUR 0C0VD0（a）主电路图 2 IGBT 降压斩波电路主电路图及波形3.1.1 工作原理如图 2（b）中 V的栅射电压 UGE 波形所示： t=0时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压u0=E,负载电流 i0按指数曲线上升； t=t1时刻 V 关断，二极管 VD续流，负载电压 u0近似为零，负载电流i0呈指数曲线下降; 通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计4 至一个周期 T 结束，再驱动 V导通，重复上一个周期的过程。3.1.2 数量关系当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2（b）所示。负载电压的平均值为式中， ton为 V处于通态的时间 ;toff为 V处于断态的时间； T为开关周期；为导通占空比。负载电流平均值为若负载中 L 值较小，在 T 关断后，到了 t2时刻，如图 2（c）所示， ，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。电流断续时， u0平均值会被抬高，一般不希望出现。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：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（ PWM 控制方式）；2）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制；3）ton和 T 都可调，使占空比改变，称为混合型。其中 PWM 控制方式应用最多。3.1.3 全控型器件 IGBT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管 ) 和 MOS( 绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有 MOSFET 的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计5 图 3 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号如图 3 所示 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道。切断基极电流，使IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子） ，对 N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。3.1.4 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100V。(2) 电阻 因为当输出电压为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80010，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cI=A10，反向击穿电压VBvceo100的 IGBT，而一般的 IGBT都满足要求。(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VUN200，AIN10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能够连续，取Io=2.5A 来算，可得 L=0.125mH ，所以只要所取电感 L0.125mH ，取 L=1mH 。o0IURo0IUR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计6 （6）开关频率 f=40kHz （7）电容设计要求输出电压纹波小于1% ，由纹波电压公式：UdLCfUoUdUoUc28/ )(*可得 LC = 0.195 uH*F 取 C=0.47mF 3.2 控制电路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的目的。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。IGBT降压斩波电路的控制电路采用控制芯片UC3525A 为核心组成。如图4所示，芯片的输入电压工作范围是8v 到 35v，这里选用了 15v。它的振荡频率可在100Hz到 500kHz的范围内调节，本电路中将调至约18kHz，不产生噪音。芯片的CT端和放电端（ 5 脚和 7 脚）串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间，其软启动电路只需外部接一个软启动电容（即8脚所接电容）即可。 VD1 ，VD2连接后输出 PWM 控制信号。图 4 IGBT 降压斩波电路的控制电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计7 SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。 在芯片上的 5.1V 基准电压调定在 1，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在 CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当VCC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。 SG3525A系列的 NOR （或非）逻辑在断开状态时输出为低。各引脚具体功能（如图5 所示） ： 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。 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。 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 引脚 4：振荡器输出端。图 5 UC3525A的引脚图 引脚 5：振荡器定时电容接入端。 引脚 6：振荡器定时电阻接入端。 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。 引脚 8：软启动电容接入端。 引脚 9：PWM 信号输入端。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计8 引脚 10：外部关断信号输入端。 引脚 11：输出端 A。 引脚 12：信号地。 引脚 13：输出级偏置电压接入端。 引脚 14：输出端 B。 引脚 15：偏置电源接入端。 引脚 16：基准电源输出端。芯片特点如下： 工作电压范围： 8-35v 。 振荡器频率工作范围： 100Hz-500kHz。 死区时间可调。 内置软启动电路。 具有输入欠电压锁定功能。 具有 PWM 锁存功能，禁止多脉冲。 逐个脉冲关断。 双路输出3.3 驱动电路3.3.1 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，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。该部分主要需完成以下几个功能：(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，有以下2 种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案 1：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1us 的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计9 方案 2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，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，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，本系统对电压要求不高，为了比较方便和稳定性好，本课 题 设 计 选 择方案。3.3.2 驱动电路分析与设计电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。简单的说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路还要提供控制电路和主电路之间的电气隔离环节。图 6 IGBT 降压斩波电路的驱动电路示意图如图 6 所示， IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。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。 TLP521-1的各引脚如图 7 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计10 图 7TLP521-1IGBT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 A 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A 的充放电电流，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。图 8 过压保护电路图3.4 过压保护和过流保护（1）过压保护：在主电路负载输出端并联串接的大电阻R20（100k）和 R18（4k） ，将反馈电压降到 3V左右，输入比较器 C 的正端，比较器的负端接给定电压， 通过调节变阻器R17 的值可以设定不同的给定电压值。 当 3 端的电压超过 2 端的给定电压值 （即负载端发生过电压时） ，比较器输出正电压，二极管VD3 导通，经电阻 R21 输入 SG3525A 的第 10 端。当 SG3525A 的 10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，从而使IGBT 关断，输出电压降低。这样一来，采样电压也就减小， 当 3 端电压低于 2 端的给定电压时， 比较器输低电平， 二极管 VD3 截止，SG3525A 的 10 脚为低电平，控制电路正常控制IGBT 的关断。其中，在 R17、R18各个电阻两端并上电容，有助于消除比较器2 端、3 端因外部而产生的干扰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计11 （2）过流保护 ：方案 1：图 10 过流保护电路图1 方案 1 与过压保护类似，只是引入的电压时导线上的小电阻的电压，通过一个放大器A放大电压，再与基准电压比较，过流时VD2导通，关断信号输入到SG3525A 的 10 端，使电路关断，不导通。方案 2：图 11 过流保护电路图2 为了使电路图简单安全，把过流保护电路接在控制电路核心芯片UC3525A的引脚 2 上。如图 8 所示，晶体管 Q1的发射极接芯片 UC3525A 的引脚 2 上。该电路接晶体管，然后接误差放大器，并接电阻和电容，构成过流保护电路。方案 3：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计12 图 12 基于晶闸管的截止型过流保护电路利用晶闸管和继电器来实现的过流保护电路，如图12所示。图 12中为了突出过流保护电路，三端可调集成稳压器LM317 的应用电路采用了简化形式, 设过流值为 I Lmax 。这保护电路的过流保护原理: 正常工作情况下 , 负载电流IL ILmax , 检流电阻R 上的电压VR = I L R; 有VR I Lmax , 则检流电阻 R 上的电压 VR VGT , 晶闸管 SCR 被触发导通 , 继电器J动作而切断了负载 RL , 从而达到过流保护的目的。晶闸管属于记忆元件, 一旦被触发导通 , 它将维持导通 , 因此保护状态被锁定。此保护电路过流值I Lmax =VGT / R 。改变检流电阻 R 大小可调节过流值 I Lmax 的大小。蜂鸣器和发光二极管 LED 起声光报警提示作用。图中R 4、C2 的作用是防止在开机瞬间或切换量程时出现瞬时负载电流脉冲而导致晶闸管SCR 被误触发 ; R 1、C1 的作用是继电器 J 动作的加速电路 ; 二极管 D是保护二极管 , 防止继电器 J的线圈产生瞬时感应电压击穿晶闸管SCR 。另外 , 检流电阻 R 设置于整流滤波一侧 , 目的是防止检流电阻 R影响稳压电源的输出内阻。为了使电源能够脱离保护状态而恢复正常工作, 可以采用 2种方式 : ( 1) 人工方式 ; ( 2) 自动方式。此电路只能采用人工方式解除保护状态, 即当电源进入保护状态后 , 只要按一下复位按钮 AN 后, 晶闸管 SCR 又截止 , 电源重新恢复正常输出; 也可以重新开启电源而恢复正常输出。本课题设计中用的过流保护是方案，原因是与过压保护相对应，原理相同。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计13 本系统中对 IGBT管加了一个保护，如图13, 并在主电路中加了一个熔断器。图13 IGBT管保护电路图 课程设计心得此次课程设计，在短短一个半星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。刚拿到课题题目的时候真的很茫然，主电路还好说，剩下的控制电路、驱动电路和保护电路只是了解的很少，这让我在设计过程中碰到很多问题，靠自己所学的知识根本解决不了，除了到图书馆借阅外，借鉴了很多网上资料，解决了这些问题，也学到了很多课本上没有的东西。特别是 protel软件的接触，使自己慢慢地从理论向应用中跨步。通过这次课程设计，看到了自己的不足之处，同时也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，加强了自己的实际运用能力，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计14 电子元器件清单器件名称规格型号数量（单位）运算放大器LT12283 个光耦合器TLP521-11 个大电感1mH 1 个电解电容100F/ 5V 2 个电解电容4.7F/ 5V 2 个电解电容0.47mF/100V 1 个电解电容22F/ 10V 1 个IGBT 200V/1A 1 个电阻600，0.1, 9k各 1 个电阻2k5 个电阻100k,4k1 个，2 个电阻普通5 个电阻1K， 10k各 3 个芯片SG3525 1 块滑动变阻器10K 3 个名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计15 二极管IN4148 4 个电容0.01F ，0.1F各 1 个三极管NPN, PNP 各 1 个快速熔断器6A/100V 1 个反向二极管IN4002 2 个名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - 电力电子技术课程设计16 总电路图BCD4321DCBL1mHC10. 47mFR20.1R120+-100V+V2-V1SYNC3CT5RT6DISC7CSS8COMP9SD10VREF16OSC4OUTA11OUTB14SG3525AC2R3R4C35.1VR5R6R75. 1VC4R8R9Q2Q15. 1VR20R19R18R11R10R12AR14R13R16R155. 1VC5C6R17BCC7C8R21VVD1VD2VD3FUVD4VD50. 01uF1k600R0C0VD0R222K10K100K4K2K10K2K2K9K1K1K2K10K100K2346712V-12V2346712V-12V2346712V-12V100uF4. 7uF4. 7uF100uF22uF0.1uFR224K名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - -