直流降壓斬波電路的設(shè)計

1、直流降壓斬波電路的設(shè)計摘要：本實驗設(shè)計的是Buck降壓斬波電路,采用全控型器件IGBT.根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、限制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路.關(guān)鍵詞：降壓斬波,主電路、限制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路.引言：直流傳動是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域,而開關(guān)電源那么是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域,是電力電子領(lǐng)域的一大熱點.DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波.直流變換電路的用途非常廣泛,包括直流電動機(jī)傳動、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正,以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源.斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式,頻率調(diào)制方式和混合型.脈寬調(diào)制方式較為通用.當(dāng)今世界軟開關(guān)技術(shù)使得DC/D吸換器

2、發(fā)生了質(zhì)得變化和飛躍.美國VICO心司設(shè)計制造得多種ECI軟開關(guān)DC/D吸換器,最大輸出功率有300W600W800W等,相應(yīng)得功率密度為6.2、10、17W/cm3效率為8090%日本NemicLambd必司最新推出得一種采用軟開關(guān)技術(shù)得高頻開關(guān)電源模塊RMS列,其開關(guān)頻率為200300KHz,功率密度已達(dá)27W/cm3采用同步整流器MOS-FEK替肖特基二極管,使整個電路效率提升到90%1設(shè)計目的直流斬波電路DCChopper的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電,也稱為直接直流一直流變換器DC/DCConverter.直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r,不包

3、括直流一交流一直流的情況,其中IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最根本的一種電路,是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路,用于直流到直流的降壓變換.IGBT是MOSFETGTR勺復(fù)合器件.它既有MOSFETS驅(qū)動的特點,輸入阻抗高,又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點.其頻率特性介于MOSFET功率晶體管之間,可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi),故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位.所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動,電壓、電流容量大的優(yōu)點,因此開展很快.2設(shè)計任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計降壓斬波電路的主電路、限制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路,穩(wěn)壓直流電源1

4、5V和直流電壓100V的設(shè)計2.2 設(shè)計要求對Buck降壓電路的根本要求有以下幾點：1 .輸入直流電壓：Ud=100V2 .開關(guān)頻率40KHz3 .輸出電壓范圍50V80V4 .輸出電壓紋波：小于1%5 .最大輸出電流：5A在額定負(fù)載下6 .具有過流保護(hù)功能,動作電流：6A7 .具有穩(wěn)壓功能8 .效率不低于70%3設(shè)計內(nèi)容根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、限制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路,設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.在圖1結(jié)構(gòu)框圖中,限制電路是用來產(chǎn)生IGBT降壓斬波電路的限制信號,限制電路產(chǎn)生的限制信號傳到驅(qū)動電路,驅(qū)動電路把限制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT限制端和公共端之間,可以使其開

5、通或關(guān)斷的信號.通過限制IGBT的開通和關(guān)斷來限制IGBT降壓斬波電路的主電路工作.保護(hù)電路是用來保護(hù)電路的,預(yù)防電路產(chǎn)生過電流、過電壓和欠電壓等現(xiàn)象損害電路設(shè)備.3.1 設(shè)計方案的選定與說明3.2 降壓斬波電路3.2.1 降壓斬波電路原理UotontoffUoEmR式中ton為V處于通態(tài)白時間；tff為V處于斷態(tài)白時間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比,簡稱占空比或?qū)ū?降壓斬波電路的占空比小于1.根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同,斬波電路有三種限制方式：1) 保持開關(guān)周期變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間3不變,稱為PWM2) 保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變,改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型.3) 心

6、和T都可調(diào),使占空比改變,稱為混合型但是普遍采用的是脈沖寬調(diào)制工作方式.由于采用頻率調(diào)制工作方式,容易產(chǎn)生諧波干擾,而且濾波器設(shè)計也比擬困難.此電路就是采用脈沖寬調(diào)制限制IGBT的通斷.3.3 降壓斬波電路主電路設(shè)計3.3.1 BUCK降壓斬波主電路在電力系統(tǒng)中,直接承當(dāng)電能的變換或限制任務(wù)的電路稱為主電路.IGBT降壓斬波電路的主電路圖如下列圖2所示.它是一種降壓型變換器,其輸出電壓平均值U,總是小于輸入電壓Udo該電路使用一個全控型器件V,為IGBT.在V關(guān)斷時,為了給負(fù)載中電感電流提供通道,設(shè)置了續(xù)流二極管VD圖2降壓斬波主電路圖3.3.2 主電路元器件參數(shù)選擇主電路中需要確定參數(shù)的元器

7、件有直流電源、IGBT、二極管、電感、電容、電阻值,其參數(shù)選擇如下說明：(1)對于電源,由于題目要求輸入直流電壓為100V,所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源.擇集電極最大連續(xù)電流(2)IGBT由圖2易知當(dāng)IGBT截止時,回路通過二極管續(xù)流,此時IGBT兩端承受最大正壓為100V;而當(dāng)=1時,IGBT有最大電流,具值為5A.故需選擇集電極最大連續(xù)電流Ic5A,反向擊穿電壓Bvceo100v的IGBT.如果考慮2倍的平安裕量需選Ic?10A,反向擊穿電壓Bvceo200V的IGBTo3.3.3 二極管當(dāng)=1時,其承受最大反壓100V;而當(dāng)趨近于1時,其承受最大電流趨近于5A,故需選擇Vc100

8、v,I5A的二極管.考慮2倍的平安裕量：Umin=2Xui=200VImin=1xIt=2x5=10A(4)電感選擇大電感L,使得電路能夠續(xù)流,此時的臨界電感為：L=Uo(UdUo)/2fUdIo設(shè)輸出電壓為80V,那么L=80x(10080)/2x1000x40x100x5=0.04mH所以電感L=0.04mH取L=0.1mH(5)電容選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%也不能取的太大,否那么會使電路的速度變得很慢.電容的選擇：也取輸出電壓為80V時來算C=U0(Ud-Uo)/8LAUcffUd=80x(10080)/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF這里取C

9、=13uF0(6)電阻Ri由于輸出電壓為50V-80V時,而輸出的最大電流為5A.所以由歐姆定律R=U/I可得負(fù)載電阻值為最小取值在10QO3.4 降壓斬波電路限制電路的設(shè)計3.4.1 限制電路及器件選擇3.4.1.1 由于斬波電路有三種限制方式,又由于PWMI制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛,所以采用PW棉制方式來限制IGBT的通斷.3.4.1.2 SG3525芯片它是一款專用的PWME制集成電路芯片,它采用恒頻調(diào)寬限制方案,內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、分頻器和保護(hù)電路等.SG3525是定頻PWMfe路,采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝.具各引腳功能如圖4所示,內(nèi)部框圖如圖5所示.助薪

10、人匚L16二|Vef同用峪A匚213周步戕匚3*Ie曾工罪得盞輸總匚415二)A.E留?C7匚512口現(xiàn)KT匚611二1A臂E觸電制匚710二1叔啟動墻匚二1外僧15,II_1_|1占產(chǎn)一最淮欠貨運(yùn)圖5內(nèi)部框圖圖4SG3525的引腳SG352略引腳具體功能：(1)引腳1:誤差放大器反向輸入端.在閉環(huán)系統(tǒng)中,該引腳接反應(yīng)信號.在開環(huán)系統(tǒng)中,該端與補(bǔ)償信號輸入端(引腳9)相連,可構(gòu)成跟隨器.(2)引腳2:誤差放大器同向輸入端.在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中,該端接給定信號.根據(jù)需要,在該端與補(bǔ)償信號輸入端之間接入信號不同的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò).(3)引腳3:振蕩器外接同步信號輸入端.該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)外電路

11、同步.(4)引腳4:振蕩器輸出端.(5)引腳5:振蕩器定時電容接入端.(6)引腳6:振蕩器定時電阻接入端.(7)引腳7:振蕩器放電端.該端與引腳5之間外接一只放電電阻,形成放回路.(8)引腳8:軟啟動電容接入端.(9)引腳9:PWW號輸入端.(10)引腳10:外部關(guān)斷信號輸入端.(11)引腳11:輸出端A.(12)引腳12:信號地.(13)引腳13:輸出級偏置電壓接入端.(14)引腳14:輸出端B.(15)引腳15:偏置電源接入端.(16)引腳16:基準(zhǔn)電源輸出端.SG3525片特點如下：(1) 工作電壓范圍：8-35v0(2) 5.1V微調(diào)基準(zhǔn)電源(3) 振蕩器頻率工作范圍：100Hz-50

12、0kHz.(4) 具有振蕩器外部同步功能(5) 死區(qū)時間可調(diào).(6) 內(nèi)置軟啟動電路.(7) 具有輸入欠電壓鎖定功能.(8) 具有PW順存功能,禁止多脈沖.(9) 逐個脈沖關(guān)斷.(10)雙路輸出(灌電流/拉電流)：Ma峰值)其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWMI號.腳6、腳7內(nèi)有一個雙門限比擬器,內(nèi)設(shè)電容充放電電路,加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器.振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3).腳1及腳2分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端.該放大器是一個兩級差分放大器.根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求,在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆?/p>

13、應(yīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時,11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出.3.4.2限制電路原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為：f1Ct(0.7Rt3Rd)式中：Ct,R分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；Rd是與腳7相連的放電端電阻值.根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為40kHz,所以由上式可取Ct=1仙F,R=10Q,Rd=6.2Qo可得f=39.1kHz,根本上等于實際40kHz即滿足要求.SG3525有保護(hù)的功能,可以通過改變10腳電壓的上下來限制脈沖波的輸出.因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護(hù)電流信號經(jīng)一電阻作用,轉(zhuǎn)換成電壓信號來進(jìn)行過流保護(hù).當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號,由于電

14、阻的作用將10腳的電位抬高,從而13腳輸出低電平,而當(dāng)其沒有過流時,10腳一直處于低電平,從而正常的輸出PWlMfco由此可以得出限制電路的電路圖如圖6所示：皿；尹&ARTsyncDISCCSSCOMPSDVMFCSCQOUTAOUTBD2驅(qū)動信號LtR31R33加GIK圖6限制電路圖3.5 驅(qū)動電路原理與設(shè)計3.5.1 本實驗采用光電耦合式驅(qū)動電路該電路雙側(cè)都有源.其提供的脈沖寬度不受限制,較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài),對外送出過流信號.另外它使用比擬方便,穩(wěn)定性比擬好.但是它需要較多的工作電源,具對脈沖信號有1ns的時間滯后,不適應(yīng)于某些要求比擬高的場合3.5.2 驅(qū)動電路工作分析：

15、驅(qū)動電路的電路圖如圖7所示：圖7驅(qū)動電路原理圖如圖7所示,IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié).光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成,封裝在一個外殼內(nèi).本電路中采用的隔離方法是,先加一級光耦隔離,再加一級推挽電路進(jìn)行放大.采用推挽電路進(jìn)行放大的原因是由于驅(qū)動IGBT的電壓叫高,約為12V左右,而SG3525E片提供的電壓只有5V左右,直接連入無法驅(qū)動IGBT并且推挽式電路簡單實用,故用推挽式進(jìn)行電壓放大.IGBT是電壓限制型器件,在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓,只有pA級的漏電流流過,根本上不消耗功率.但I(xiàn)GBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容幾千至上萬pF,在驅(qū)動脈沖

16、電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安電流,才能滿足開通和關(guān)斷的動態(tài)要求,這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流.3.6 保護(hù)電路原理與設(shè)計在電力電子電路中,除了電力電子器件參數(shù)選擇適宜、驅(qū)動電路設(shè)計良好外,采用適宜的過電壓、過電流、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的.3.6.1 過電壓保護(hù)電路：過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位,參加不同的保護(hù)電路,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定電壓值時,自動開通保護(hù)電路,使過壓通過保護(hù)電路形成通路,消耗過壓儲存的電磁能量,從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上,保護(hù)了電力電子器件.本次設(shè)計的電路要求輸出電壓為50尸80V,所以當(dāng)輸出電壓設(shè)定時,一旦出現(xiàn)過電壓,為了保護(hù)電路

17、和器件,應(yīng)馬上將電路斷開,及關(guān)斷IGBT的脈沖,使電路停止工作.由于芯片SG3525勺弓I腳10端為外部關(guān)斷信號輸入端,所以可以利用SG3525的這個特點進(jìn)行過壓保護(hù).當(dāng)引腳10端輸入的電壓等于或超過8V時,芯片將馬上鎖死,輸出脈沖將立即斷開.所以可以從輸出電壓中進(jìn)行電壓取樣,并將取樣電壓通過比擬器輸入10端,從而實現(xiàn)電壓保護(hù).如圖6所示：取樣電壓的方法是在U.端串聯(lián)兩個電阻再通過在電阻中分得的電壓連入比擬器的正端,與連入負(fù)端的基準(zhǔn)電壓5V進(jìn)行比擬.正常狀態(tài)下,取樣電壓小于基準(zhǔn)電壓,此時比擬器輸出的是負(fù)的最大值,芯片正常工作,當(dāng)出現(xiàn)過電壓是,取樣電壓高于基準(zhǔn)電壓,此時輸出高電平15V,在通過電

18、阻分壓得到5V的高電平送入芯片的10端,使其鎖死,IGBT脈沖斷開,電路斷開,從而對電路實現(xiàn)過壓保護(hù).設(shè)計的過壓保護(hù)電路圖如圖8所示：3.6.2 過電流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時,可能會發(fā)生過電流.當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或限制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗,以及交流電源電壓過高或過低、缺相等,均可引起過流.由于電力電子器件的電流過載水平相對較差,必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù).本次設(shè)計要求具有過流保護(hù)功能,在電流到達(dá)6A時動作.由于前面說過,SG3525的引腳10端在輸入一個高電平時具有自鎖功能,所以仍然可以利用這個方法進(jìn)行過流保護(hù).

19、主要思想是將過電流轉(zhuǎn)化為過電壓.具體的做法是在干路上串聯(lián)一個很小的功率電阻,再在這個小電阻上并聯(lián)一個大電阻,從而進(jìn)行過電流與過電壓的轉(zhuǎn)化.將轉(zhuǎn)化的電壓連入比擬器于一個基準(zhǔn)電壓取0.6V相比擬,就是在基準(zhǔn)5.1V經(jīng)過電阻分壓得到0.6V,再將輸出經(jīng)降壓后得到5V后連入SG3525的10端.在正常狀態(tài)下連入的電壓小于基準(zhǔn)電壓,此時,輸出一個負(fù)的最大值,芯片不會鎖死,正常工作.而當(dāng)過電流時,轉(zhuǎn)化的電壓高于基準(zhǔn)電壓,此時輸出一個高電平,芯片的10端鎖死,IGBT脈沖斷開,電路斷開,從而對電路實現(xiàn)過流保護(hù).設(shè)計的過流保護(hù)電路如圖9所示:ARL過流保護(hù)輸入；|iT,OPAMPT+iw132kR1436.7

20、ftIQ,iH4Ik接入SG3525的10端圖9過電流保護(hù)原理電路圖3.6.3 IGBT的保護(hù)IGBT如果不采取保護(hù),它很容易損壞.一般認(rèn)為IGBT要原因有兩種：一是IGBT退出飽和區(qū)而進(jìn)入了放大區(qū),使得開關(guān)損耗增大；二是IGBT發(fā)生短路,產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流,從而使IGBT損壞.下面是對IGBT進(jìn)行設(shè)計的保護(hù)電路.RC串聯(lián)電路可以對IGBT進(jìn)行過電壓保護(hù),而反向二極管可以對IGBT進(jìn)行過電流保護(hù).在無緩沖電路的情況下,IGBT開通時電流迅速上升,di/dt很大；關(guān)斷時du/dt很大,并出現(xiàn)很大的過電壓.在有緩沖電路的情況下；V開通時C5通過R34向V放電,使ic先上一個臺階,以后因有L,ic上

21、升速度減慢；V關(guān)斷時負(fù)載電流通過VD向C5分流,減輕了V的負(fù)擔(dān),抑制了du/dt和過電壓.VD和R34的作用是在V關(guān)斷時,給L提供釋放儲能的回路.如圖11所示：3.7 設(shè)計穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓100V題目只給直流電壓Ud=100V,而運(yùn)算放大器和SG3525E片需要15V的工作電壓.如圖12所示,先用變壓器將220V降壓為22V的交流電,再經(jīng)過橋式整流得到直流電壓.通過濾波電容濾波后,用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成15V的電壓輸出.其中變壓器匝數(shù)比為220V/24V,電容C1=100uF并且耐壓50V,三端集成穩(wěn)壓器型號為7815.選擇二極管型號為IN4003.同時再將220V通過變壓器降壓后

22、,再通過橋式整流,再接濾波電容濾波后,即可得到直流電壓Ud=100Vo圖12穩(wěn)壓15V電路4元器件清單器件名稱規(guī)格與型號數(shù)量絕緣柵雙極型晶體管200V/10A1個續(xù)流二極管IN414B1個電感0.1mH1個電容100uF/13uF/1uF0.1uFZ1/21個二極管IN400311個金屬膜電阻20Q/6.2Q/10Q/12Q31/31個金屬膜電阻88.7Q/500Q/2K/1K1/1/45個金屬膜電阻19.1K5.1K/95.3K/75K1/21/1個三極管PNP型.NPN型各1個滑動變阻器1K1個PWM限制器SG35251片光耦合器6N1362個運(yùn)算放大器LM3241片三端集成穩(wěn)壓器件781

23、51個或門74LS321片功率電阻0.1Q/60W2個變壓器220V/24V1個結(jié)束語直流降壓斬波電路主要分為三個局部,分別為主電路模塊,限制電路模塊,驅(qū)動電路模塊,除了上述主要模塊之外,還必須考慮電路中電力電子器件的保護(hù),以及控制電路與主電路的電氣隔離.IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動,電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的開展前景,也由于開關(guān)電源向低電壓,大電流和高效率開展的趨勢,促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的開展.但以IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應(yīng)用中需要注意以下問題：1系統(tǒng)損耗的問題；2柵極電阻；3驅(qū)動電路實現(xiàn)過流過壓保護(hù)的問題.此斬波電路中IGBT的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)制限制器SG3525r生,由于它簡單可靠及使用方便靈活,大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試.回憶起此次電力電子課程設(shè)計,至今我仍感慨頗多,確實,從選題到定稿,從理論到實踐,可以學(xué)到很多很多的的東西,同時不僅可以穩(wěn)固了以前所學(xué)過的知識,而且培養(yǎng)了我的自學(xué)水平,特別是對PWMI制技術(shù)的學(xué)習(xí).通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只