《降压斩波电路》.docx

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1、可编辑电力电子技术课程设计报告课题：降压斩波电路的设计精品名目一引言二课程设计1降压斩波电路的设计目的2. 降压斩波电路的设计内容及要求3. 降压斩波电路主电路根本原理4. IGBT 驱动电路4.1 IGBT 简介4.2 驱动电路设计方案比较5. 保护电路的设计6. MATLAB 仿真6.1 MATLAB 简介6.2 MATLAB 进展历程6.3 主电路仿真7. PROTEL 原理图及 PCB 图的绘制8. 心得体会9. 元件清单三参考文献一 引言高频开关稳压电源已广泛运用于根底直流电源、沟通电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网供给的强电和粗电，它是现代电

2、子设备重要的“心脏供血系统”。 BUCK 变换器是开关电源根本拓扑构造中的一种， BUCK 变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进展降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。二课程设计1. 降压斩波电路的设计目的(1). 通过对降压斩波电路 buck chopper 的设计，把握 buck chopper 电路的工作原理，综合运用所学学问，进展buck chopper 电路和系统设计的力量。(2). 了解与生疏 buck chopper 电路拓扑、掌握方法。(3). 理解和把握 buck chopper 电路及系统的主电路

3、、掌握电路和保护电路的设计方法，把握元器件的选择计算方法。(4). 具有肯定的电力电子电路及系统试验和调试的力量2. 降压斩波电路的设计内容及要求(1). 设计内容 : 对 Buck Chopper 电路的主电路和掌握电路进展设计，参数如下：直流电压 E200V ，负载中 R10，L 值极大,反电动式 E130V。(2). 设计要求(a) 理论设计：了解把握 Buck Chopper 电路的工作原理，设计 Buck Chopper 电路的主电路和掌握电路。包括： IGBT 电流,电压额定的选择，画出完整的主电路原理图和掌握电路原理图列出主电路所用元器件的明细表(b). 仿真试验 :利用 MAT

4、LAB 仿真软件对 Buck Chopper 电路主电路和掌握电路进展仿真建模，并进展仿真试验(c). 实际制作：利用 PROTEL 软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计 PCB 印制电路板。最终完成系统电路的组装，调试。3. 降压斩波电路主电路根本原理降压斩波电路主电路工作原理图如下：图 1 降压斩波电路主电路工作原理图t=0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 U0E ，负载电流 i0按指数曲线上升。1t=t 时掌握 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

5、流连续且脉动小。iGttoffOioonTti1i2I10OuoI20tt1EOtiGttoffOioonTtti1xi2OuotttEI1202EOEt图2 电流连续时的波形iG图3电流断续时的波形M当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等如图2 所示，负载电压的平均值为： U=onE = ton E = a Et0t+ tonToff式中， t为 V 处于通态的时间， t为 V 处于断态的时间； T 为开关周期； a 为导通占onoff空比，简称占空比或导通比。U负载电流的平均值为： I=00R假设负载中 L 值较小，则在 V 关断后，到了 t 时刻，如图 3 所示，负载电流已

6、衰减2至零，会消灭负载电流断续的状况。由波形可见，负载电压U平均值会被抬高，一般0不期望消灭电流断续的状况。4.IGBT 驱动电路4.1 IGBT 简介IGBT 是三端器件，具有栅极 G，集电极 C 和放射极 E。它是个场控器件，通断由栅射极电压 Uge 打算。 Uge 大于开启电压 Uge(th) 时， MOSFET 内形成沟道，为晶体管供给基极电流， IGBT 导通。通态时电导调制效应使电阻R 减小，使通态压降减小。当栅射极间施加反压或不加信号时， MOSFET 内的沟道消逝， 晶体管的基极电流被切断， IGBT 关断。一般 IGBT 的开启电压 Ugeth在 25 度时为 26V 左右，

7、而实际一般驱动电压取 1520V ，且关断时施加肯定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随被驱动器件电流定额值的增大而减小。图 4 IGBT 根本构造4.2 驱动电路设计方案比较：4.2.1 一个抱负的 IGBT 驱动器应具有以下根本驱动性能：(1) 动态驱动力量强，能为 IGBT 栅极供给具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当 IGBT 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过 IGBT 通态损耗，造成管芯温升较高。这种状况会大大限制 IGBT 的开关频率

8、和输出力量，同时对 IGBT 的安全工作构成很大威逼。 IGBT 的开关速度与其栅极掌握信号的变化速度亲热相关。 IGBT 的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐力量，才能使 IGBT 栅源电压建立或消逝得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠 阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安 全不利，也简洁在掌握电路中造成干扰。(2) 能向 IGBT 供给适当的正向栅压。 IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关， 在集射电流肯定的状况下， Vge 越高， Vce 越低，

9、器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作力量。但是， Vge 并非越高越好， Vge 过大，负载短路时 Ic 增大， ILBT 能承受短路电流的时间削减，对安全不利，一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高， IGBT 损坏的可能性就越大。因此，在有短路程的设备中Vge 应选小些，一般选 1215V。(3) 在关断过程中，为尽快抽取 PNP 管中的存储电荷，能向 IGBT 供给足够的反向栅压。考虑到在 IGBT 关断期间，由于电路中其他局部的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号， 这些信号轻则会使本该截止的 IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗， 重则将使裂变电路处于短路直通

10、状态，因此，最好给应处于截止状态的 IGBT 加一反向栅压(515V) ，使 IGBT 在栅极消灭开关噪声时仍能牢靠截止。(4) 有足够的输入输出电隔离力量。在很多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而掌握电路一般不期望如此。另外，很多电路中的IGBT 的工作电位差异很大，也不允许掌握电路与其直接藕合。 因此驱动器具有电隔离力量可以保证设备的正常工作， 也有利于修理调试人员的人身安全。但这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。(5) 具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。 IGBT 栅极极限电压一般为 20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6) 输入输出信号传输无延时。这不仅能够削减系

11、统响应滞后，而且能提高保护的快速性。(7) 大电感负载下， IGBT 的开关时间不能过分短，以限制didt 所形成的尖峰电压，保证 IGBT 的安全。4.2.2 方案比较（1） PWM 调制方式它是开电源中最常承受的掌握方式， 通过负载端反响信号与内部产生的锯齿波较， 然后产生一个恒频变宽的方波信号去掌握功率开关管。依据负载状况实时调整开导通时间，从而稳定输出电压图 5 PWM 调制原理电路图图 6PWM 波形总的说来， PWM 掌握方式在开关电源中使用最为普遍，它具有以下优点:在负载较重状况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控PWM 掌握方式存在以下缺点 :输

12、入电压调制力量弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。（2） 电压掌握模式 PWM它是直流开关电源最根本的一种掌握，属于单环负反响掌握。其实质是:在输出电压 ouT 端分压采样 VFB ，与给定(基值 VREF) 比较，然后用比较信号掌握振荡器的频率或者占空比，再由振荡器输出调整后的开关信号驱动功率开关管，从而使输出端电压稳定在某一个预定值。因此电压掌握模式直流转换器是单闭环负反响掌握系统图 7 电压反响掌握模式原理图图 7 所示为电压反响掌握模式原理图，转换器输出电压VOUT 的采样信号 VFB 与基准电压 VREF 比较，比较输出信号经反相器反向， D 触发器整形，然后和振荡器与输出掌握开关管

13、。当输出电压超出预定值，则反响掌握信号为低电平，低电平D 触发输出将振荡器的脉冲信号与为0 ，掌握开关管持续关断，从而降低出出端电压。同理， 当输出端电压低于预定值时，翻开掌握信号使开关管持续不断导通，从而增加输出端电压。这就是电压反响掌握机理，只需要一个反响信号VFB ，就可以实现整个电路的负反响而维持输出恒定。（3） PFM 掌握模式PWM 调制方式是将脉冲宽度固定，通过转变开关频率来调整占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压 /频率转换器(比方，压控振荡器 VCO) 转变频率。即通过负载端反响信号与基准信号进展比较，输出误差信号对工作频率进展

14、调整， 然后输出恒宽变频的方波信号去掌握功率开关管。依据负载状况实时调整开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其调制原理如图8 所示，工作波形如图 9 所示。总的说来， PFM 掌握方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点:在负载较轻状况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压掌握模式。同时，也存在以下缺点 :负载调整范围窄，滤波本钱高。图 8 调制原理图 9 工作波形（4） PSM 掌握模式PSM ( Pulse-SkippingModulation) 调制方式是开关电源中一种的掌握方式，称为脉冲跨周期调制。将负载端电压反响信号与基准电压比较转换为数字电平，在

15、时钟 上升沿检测该反响信号电平打算是否在该时钟周期内工作，调整开关管的导通时间，从而稳定输出电压 。其调制原理如图 10 所示，工作波形如图 11 所示。当反响采样信号 Vfb 大于基准电压 Vref 时，比较器输出低电平，然后经过D 触发器的整形和同步，在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号跨过(与门的作用 )，调整开关管关断，从而降低输出端电压 ;当反响采样信号 VF13 小于基准电压 Vref 时，比较器输出高电平，D 触发器的整形和同步， 在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号送出(与门的作用 )， 调整开关管持续导通与关断，从而提高输出端电压。图 10 调制原理图图 11 工作波形（1） 脉冲产

16、生电路工作原理：当接通电源以后，由于电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开头经电阻 R1 向电容 C1 充电。当充到输入电压为触发器的正门限电压时， 输出跳变为低电平，电容又经电阻R2 开头放电。当放电至触发器的负门限电压时，输出电位又跳变为高电平，电容C1 重开头充电。如此周而复始，电路不停的振荡。通过调整电阻，电容的值可以转变振荡周期。 同时可以转变 R1 和 R2 的比值来转变占空比。电路如下所示：图 12 电路图图 13 波形图（2） 放大驱动电路承受达林顿管进展放大。（3） 信号隔离承受光耦 TLP5211 进展电器隔离。5.保护电路的设计（1） 过电压保护所谓过电压保护，即指

17、流过 IGBT 两端的电压值超过 IGBT 在正常工作时所能承受的最大峰值电压 Um 都称为过电压。产生过电压的缘由一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在沟通侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。电路如以下图 14 所示：图 14 保护电路（2） 过电流保护所谓过电流保护， 即指流过 IGBT 的电压值超过 IGBT 在正常工作时所能承受的最大峰值 Im 都称为过电流。这里承受图 15 所示的电路图 1

18、5 过电流保护3.IGBT 的保护a. 静电保护IGBT 的输入级为 MOSFET ，所以 IGBT 也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。在静电较强的场合， MOSFET 简洁静电击穿，造成栅源短路。承受以下方法进展保护： 应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳， 而不要拿引线。工作台和烙铁都必需良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用 12V24V 的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在 测试 MOSFET 时，测量仪器和工作台都必需良好接地，MOSFET 的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范

19、围时，电压和电流都必需先恢复到零。b. 过电流保护IGBT 过电流可承受集射极电压状态识别保护方法，电路如图16 所示：图 16 集射极电压状态识别保护电路C.短路保护图 17 短路保护电路(4). 缓冲电路缓冲电路吸取电路的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt 、过电流和di/dt ，减小器件的开关损耗。这里承受由R LC 组成的电路来吸取电压、电流，如图18：图 18缓冲电路6、MATLAB 仿真6.1 MATLAB 仿真简介MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件， 用于算法开发、 数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MA

20、TLAB 和Simulink 两大局部。 MATLAB 的优势如下：（1） 友好的工作平台和编程环境；（2） 简洁易用的程序语言；（3） 强大的科学计算机数据处理力量；（4） 精彩的图形处理功能；（5） 应用广泛的模块集合工具箱；（6） 有用的程序接口和公布平台；（7） 应用软件开发包括用户界面。6.2 主电路的仿真1. 按原理图在 MATLAB 中搭建模块，搭建好的模型图如下：图 19仿真模型图2. 调试与结果a. 调整触发脉冲的占空比为 10%，得出输出电流 I 和电压 U图 20及其波形00如下所示图 20占空比 10% 波形b. 调整触发脉冲的占空比为 20%，得出输出电流 I 和电压

21、 U图 21及其波形00如下所示：图 21 占空比 20% 波形c. 调整触发脉冲的占空比为 30%，得出输出电流 I 和电压 U图 22及其波形00如下所示：图 22 占空比 30% 波形d. 调整触发脉冲的占空比为 40%，得出输出电流 I 和电压 U图 23及其波形00如下所示：图 23 占空比 40% 波形e. 调整触发脉冲的占空比为 50%，得出输出电流 I 和电压 U图 24及其波形00如下所示：图 24占空比 50% 波形f.设定占空比为 70%, 得出输出电流 I0 和电压 U0 图 25及其波形如下所示：图 25 占空比 70% 波形g. . 设定占空比为 90%, 得出输出

22、电流 I 和电压 U图 26及其波形如下所示 :00图 26 占空比 90% 波形7、PORTEL 原理图及 PCB 图的绘制7.1 Protel 简介PROTEL ：PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年月末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中，它当之无愧地排在众多EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开头使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还特地开设了课程来学习它，几乎全部的电子公司都要用到它，很多大公司在聘请电子设计人才时在其 条件栏上常会写着要求会使用 PROTEL 。早期的 PROTEL 主要作为印制板自动布线工具使用，运行在 D

23、OS 环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286 机的1M 内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印 制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL 已进展到 PROTEL99 网络上可下载到它的测试板，是个浩大的 EDA 软件，完全安装有 200 多兆，它工作在 WINDOWS95 环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计包含印制电路板自动布线、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能， 并具有 Client/Server 客户/效劳器体系构造，同时还兼容一些其它设计软件

24、的文件格式，如ORCAD ，PSPICE ， EXCEL 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB 的 100 布通率。在国内PROTEL 软件较易买到，有关 PROTEL 软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了根底。7.2 PORTEL 原理图设计在原有主电路、驱动电路、缓冲电路的根底上，PORTEL 原理图中还添加了电气隔离环节，将驱动电路与主电路进展隔离。PORTEL 原理图如以下图所示：图 27PORTEL 原理图7.3 PCB 印刷电路板设计1.设计步骤如下：1预备电路原理图和网络表：依据设计要求设计电路原理图，并绘制原理图，然后由该原理图文件生成相应的网络表。对于相

25、当简洁的电路图，也可以直接进展印制电路板设计。2规划印制电路板：在设计电路板之前，要对电路板有个初步的规划，主要包括电路板的选择，承受几层电路板、板材的物理尺寸、各元件的封装形式等，这是一项相当重要的工作，是电路板设计的框架。3设置参数：设置参数包括设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等。大多数状况下，可以直 接使用系统的默认值，参数设置是一次性完成的，在后续的设计工作中很少需要修改。4加载网络表和元件封装：网络表是自动布线的根底，是连接原理图和印制电路板的纽带。只有加载了网络表和元件封装后，电路板的自动布线才能完成。5元件布局：规划电路板并导入网络表后，通过执行命令，系统将自动装入元件并将

26、元件布置在电路板边框内。元件布局可以由系统自动完成，然后进展手工调整布局，布局合理后才能进展下一步的布线工作。元件布局是印制电路板设计中比较花费精力的一个步骤， 需要设计者有足够的急躁。6自动布线：Protel DXP 2023 中自动布线的功能相当强大，只要把有关参数设置得适当，元件布局合理，系统就会依据设置的规章选择最正确的布线策略进展自动布线，成功率几乎 100% 。(7)手工调整：自动布线虽然成功率很高，但往往存在不满足的地方，这时就需要进展手工调整，以满足设计要求。(8)DRC 检查：布线完成后，为了确保 PCB 板符合设计规章、全部的网络连接正确，必需对电路板进展设计规章检查 DR

27、C。(9)保存及打印输出：完成布线后，可以将完成的印制电路板文件保存到磁盘，利用输出设备如打印机等， 输出电路板的布线图。2、印刷电路板如以下图所示图 28 印刷电路板8. 心得体会每次做课程设计我们都感觉入手比较困难，由于它首先要求你对所学的学问都要弄懂，并且能将其联系贯穿起来，因此课程设计是综合性比较强的。这次的电力电子课程设计是我做的最辛苦的一次，主要的缘由是教师的要求格外的高，其次就是，这次试验要求我们学习两个从来就没有接触过的软件。而且时间还是有那么紧。虽然我的电力电子在班上算学的还好的，但是涉及到实际的动手的东西，明显还是微缺乏道的。首先把设计任务搞清，接下来就是找相关资料，可以通

28、过上图书馆和上网，然后对资料进展整理。找资料说起来似乎很简洁，但真正做起来是需要急躁的，不是你所找的就肯定是有用的，要进展筛选甄别，所以这个过程中是要花费一些时间的，但这其中也拓展了你的学问面。 书上原理性的东西与真正的动手操作还是有很大的区分的， 要考虑很多因素，比方说，参数的选取和设定，这些对试验结果是有很大的影响的。通过重温教材学问和翻阅图书馆相应的资料，我所面临的问题大局部都一一 解决。固然还有一局部要归功于我的同学的帮助，固然更少不了教师的催促和指导。 通过这次课程设计我们把握了肯定的文档的编排格式，这对于以后的毕业设计及工作 需要都有很大的帮助， 在完成课程设计的同时我们也再复习了

29、一遍电力电子这门课程， 对于以前一知半解的问题有了更深刻的生疏。通过这次课程设计，使我明白了自身的缺乏，还有就是学习上存在的以应试为目的的陋俗，自己真正学到的学问还是相当有限的，而且都是很死板的学问，并没有做到活学活用。而且，在专业软件学习方面还要有很大的提升的需要。9. 元件清单表 1三 参考文献资料1 王兆安，黄俊 .电力电子技术第四版 .北京:机械工业出版社 ,20232 阎石北.数字电子技术根底第四版 . 北京:高等教育出版社 ,20233 刘小伟,刘宇,温培和.Altium Designer 6.0 电路设计有用教程 . 北京：电子工业出版社 ,20234 李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与 CAD基于 MATLAB 的掌握系统 ( 其次版 ). 北京：电子工业出版社 ,20235 周明宝.电力电子技术 (.第一版)北京.机械工业出版社 .19976 赵良炳.现代电力电子技术根底 .第一版 北京.清华大学出版社 .19957 林渭勋.现代电力电子电路 .其次版 北京.浙江大学出版社 .20238 邵丙衡.电力电子技术 .(第一版). 北京.铁道出版社 .1997.