电力电子-降压斩波电路设计..教学总结

1.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。

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。

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。

3. 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0u =E ，负载电流0i 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tO O O E O t t tE M i G t t T i G t on t off i o i 1i 2I 10I 20t 1u o a)b)O O T E E i t on t off i o t x i 1i 2I 20t 1t 2u o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 Tα===+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Uo 最大为E ，若减小占空比α，则Uo 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Ω-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α=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5A ，考虑2倍裕量，故需选择V U N 200≥，A I N 10≥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L>0.125mH ，取L=1mH 。

（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：Ud LCf Uo Ud Uo Uc 28/)(*-=∆可得 LC >= 0.195 uH*F取C=0.47mFo 0I U R =o 0I U R =4. 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。

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，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。

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 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 = Ωk 1,d R =Ω600。

可得f=40kHz ，满足要求。

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脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM 波。

SG3525还有稳压作用。

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能够通过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。

4.3 控制芯片介绍本控制电路是以SG3525 为核心构成,SG3525 为美国Silicon General 公司生产的专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图4.3所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差, 占空比可调的矩形波(即PWM信号).然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。

图4.3 SG3525A 芯片的内部结构（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。

RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。