湖南工程学院电力电子技术课程设计

课程设计课程名称电力电子技术课题名称直流降压斩波器的设计专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导老师完成日期电气信息学院课程设计任务书课题名称直流降压斩波器的设计姓名专业班级学号指导老师课程设计时间教研室意见意见：审核人：一、任务及要求1. 设计出直流降压斩波器的主电路。

（电压0-220V,功率1KW，阻感负载）2. 设计直流降压斩波器的控制电路。

3. 设计直流降压斩波器的驱动电路。

4. 给出整体设计框图，画出直流斩波器的总体原理图；5. 说明所选器件的型号，特性。

6. 给出具体电路画出电路原理图；7.编写设计说明书；8.课程设计说明书要求用手写，所绘原理图纸用计算机打印。

（A4）二、进度安排第一周：星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；星期二——星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。

第二周：星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。

星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。

三、参考资料1．王兆安．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2010；2．电气工程师手册；3．电力电子技术手册。

目录1.绪论2.设计要求与方案2.1设计要求2.2方案确定3.主电路设计3.1主电路方案3.2工作原理3.3参数分析4. 控制电路设计4.1 控制电路方案选择4.2 工作原理及控制芯片介绍5.驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择5.2工作原理6．系统仿真及结论6.1 仿真软件的介绍6.2仿真电路及其仿真结果7设计体会8参考文献1、绪论现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

第一个晶闸管在美国的诞生也标志着电力电子技术的诞生。

电力电子技术的发展也经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代三个发展过程。

电力电子技术的应用领域也涉及到人类生活的方方面面，例如电力电子技术在工农业、交通、国防以及能源等领域都得到了很广泛的应用。

而且，通过不断地发展，实现了集驱动、控制、电路保护和功率器件为一体的功率集成电力。

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

目前，电力电子器件和电力电子设备和系统也向着不断精化的方向发展。

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。

它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。

直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。

直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器（Buck Chopper）、升压斩波器（Boost Chopper）、升降压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。

因此，依据课程设计的要求，我的选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路的直流降压斩波器。

2.设计要求与方案2.1设计要求电压0-220V功率1KW阻感负载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，以及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结构框图如图2.1所示。

图2.1 降压斩波电路结构框图在图2.1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并放大加在开关控制端，转换为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。

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，因此不可取，将此方案舍弃。

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工作原理根据所学知识，直流降压斩波器的主电路图如图所示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3.2所示：i G i图3.2 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 tU U U U t t Tα===+on on o on off （3-1）ont 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220V 。

(2)电阻 因为当输出电压为220V 时，假设输出电流为0.22A 所以由欧姆定律可得负载电阻值为1k 欧姆。

（3-2） (3)IGBT 由图易知当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220V ；(4)二极管 其承受最大反压220V ，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=2.2mH; （6）开关频率 f=5KHz（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%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.保持开关导通时间ton 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型；3.导通时间ton 和周期T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

oI UR =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。

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。

4.2工作原理对于PWM发生芯片，我选用了8051芯片，其引脚图如图4.1所示，我选用的是mutisium软件里8051单片机产生pwm脉冲控制其产生脉冲的程序如下：#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define HIGH 10 //HIGH与ALL的比值为占空比#define ALL 20 //ALL为周期时间，即20ms，改变数值即可改变周期sbit out=P1^0;uint tt;void main(){TMOD=0x01; //设置定时器0为工作方式1TH0=(65536-1000)/256; //设置初值TL0=(65536-1000)%256;EA=1; //开总中断ET0=1; //开定时器0中断TR0=1; //启动定时器0out=1;while(1);}void timer0() interrupt 1{TH0=(65536-1000)/256; //重装初值TL0=(65536-1000)%256;tt++;if(tt==HIGH)out=0;if(tt==ALL){out=1;tt=0;}}此单片机可调占空比如图由于mutisium软件的功能特性，8051的最小系统已包含在内。

只需将上述程序嵌入单片机里即可获得可调占空比的PWM波形。

4.3控制芯片介绍单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

⒈电源:⑴ VCC - 芯片电源，接+5V；⑵ VSS - 接地端；⒉时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊控制线:控制线共有4根，⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN:外ROM读选通信号。

⑶ RST/VPD:复位/备用电源。