降压斩波电路课程设计报告书

目录

一、引言 (2)

二、设计要求与方案 (2)

2.1设计要求 (2)

2.2 方案确定 (3)

三、主电路设计 (3)

3.1 主电路方案 (3)

3.2 工作原理 (4)

3.3 参数分析 (5)

四、控制电路设计 (5)

4.1 控制电路方案选择 (5)

4.2 工作原理 (6)

4.3 控制芯片介绍 (7)

五、驱动电路设计 (9)

5.1 驱动电路方案选择 (9)

5.2 工作原理 (10)

六、保护电路设计 (11)

6.1 过压保护电路 (11)

6.2 过流保护电路 (12)

七、系统仿真及结论 (13)

八、结论 (16)

九、参考文献 (16)

十、致谢 (17)

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。伴随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。

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标准化。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。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，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围，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。

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。

二、设计要求与方案

2.1 设计要求

2.1.1 课程设计目的

1、培养文献检索的能力，特别是如何利用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 课程设计要求

降压斩波电路设计要求：

1、输入直流电压：U

=100V

d

2、开关频率5KHz

3、输出电压20V

4、最大输出电流：20A

5.L=100mH

6.输出功率：400W

α

7.占空比2.0

=

2.2 方案确定

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。

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。

三、主电路设计

3.1 主电路方案

根据所选课题设计要求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，这个方案是较为简单的方案，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，这种方案把本该简单的电路复杂化，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，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

3.2 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

u=E，负载电流

i按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3所示：

O

O

E

O

t

t

i G

t

t

T

i G

t on

t off

i o i

1i2

I10I20

t1

u o

b)

O

O T

E E

i G

t on

t off

i o t x

i1

i2

I20

t1t2

u o

图3 降压电路波形图

当1t t =时刻，控制IGBT 关断，负载电流经二极管D V 续流，负载电压0u 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，重复上一周期的过程。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

i i i t t U U U U t t T

α===+on on o on off on t 为IGBT 处于通态的时间；off

t 为处于断态的时间；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0U 最大为E ，若减小占空比α，则0U 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。

3.3参数分析

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200V 时，假输出电流为20A 。所以由欧姆定律

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α=1时，IGBT 有最大电流，其值为5A 。故需选择集电极最续电流c I =A 10，反向击穿电压V B vceo 200=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20A ，考虑2倍裕量，故需选择V U N 200≥，A I N 20≥的二极管。

(5)电感 L=100mH;

（6）开关频率 f=5KHz

（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%

四、 控制电路设计

4.1 控制电路方案选择

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到控制输出电压大小的目的。

o 0

I U R =

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，改变开关周期T ，成为频率调制或调频型；

3.导通时间和周期T 都可调，是占空比改变，称为混合型。

因为斩波电路有这三种控制方式，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。

图4.1 SG3525引脚图

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD 等等来输出PWM 波，也可以通过特定的PWM 发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM 发生芯片来进行连续控制。

对于PWM 发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的PWM 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，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。

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 有一个双门限比较器，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 工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为 ：

)

37.0(1d t t R R C f += 4.1 式中:t C , t R 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；d R 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t C =0.01μF, t R =