降压斩波电路设计(1)1

降压斩波电路设计(1)1 1 绪论 电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。 直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电 直流变换器(DC/DC Converter)。直流斩波电路压的直流电，也称为直接直流— 一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流—交流—直流的情况，直流斩波电路的种类较多，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斩波电路和Zeta斩波电路。 其中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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。 直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。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。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:(1)系统损耗的问;2)栅极电阻;(3)驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。 二.课程设计 1. 降压斩波电路的设计目的 (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)提高课程设计撰写水平。 2. 降压斩波电路设计的基本要求 对Buck降压电路的基本要求有以下几点: 1.输入直流电压:U=100V d 2.开关频率40KHz 3.输出电压范围50V~80V 4.输出电压纹波:小于1% 5.最大输出电流:5A(在额定负载下) 6.具有过流保护功能，动作电流:6A 7.具有稳压功能 8.效率不低于70% 3. 总体电路框图 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。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。 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 电路框图 在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT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IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。 4 降压斩波主电路的设计 4.1 BUCK降压斩波主电路: 在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压Ud。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。 图2 降压斩波主电路图 4.2 电路工作原理分析: 直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。用控制电路和驱动 电路来控制IGBT的导通或关断。当t=0时，V管被激励趋于导通，VD管要承受反压。在V管接通的t1时间内，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中 u电流直线上升，能量存储于电感中。电源E向负载供电，负载电压=E，负载0 i电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3(b)所示: 0 图3 电路工作时的电流波形图 t,t当时刻V管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流1 通，能量要释放。其中二极管VD势必导通，电感电流可通过负载，VD形成通电 uV回路。电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。0D 为了使负载电流连续且脉动小，故应串联较大的电感L。(2) 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U.=KE, tt为IGBT处于通态的时间;为处于断态的时间;T为开关周期;K为导通占offon 空比。 U通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比0 Uα，则随之减小。 0 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，可分为三种工作方式: 1)保持开关导通时间t不变，改变开关周期T，称为频率调制工作方式; on 2)保持开关周期T不变，调节开关导通时间t，称为脉冲宽调制工作方式; on 3)开关导通时间t和开关周期T都可调，称为混合型。 on 但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生 谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。 4.3 主电路元器件参数选择: 主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明: (1) 对于电源，因为题目要求输入直流电压为100V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。 (2)IGBT 由图2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=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择 I集电极最大连续电流>5A，反向击穿电压Bvceo>100v的IGBT。如果考虑2倍c I的安全裕量需选择集电极最大连续电流》10A，反向击穿电压Bvceo》200V的c IGBT。 ,, (4)二极管 当=1时，其承受最大反压100V;而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择Vc>100v,I>5A的二极管。考虑2倍的安全裕量: Umin=2Xu1=200V Imin=1xIt=2x5=10A (5)电感 选择大电感L，使得电路能够续流，此时的临界电感为: L=U0(Ud—U0)/2fUdI。 设输出电压为80V，则 L=80x(100—80)/2x1000x40x100x5=0.04mH 所以电感L>=0.04mH，取L=0.1mH。 (6) 电容 选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择:也取输出电压为80V时来算 C=U0(Ud—U0)/8LΔUcffUd =80x(100—80)/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF 这里取C=13uF。 (7)电阻RL 因为输出电压为50V—80V时，而输出的最大电流为5A。所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在10Ω。 5. 控制电路原理与设计: 5.1控制电路比较及选择: 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。 IGBT控制电路的功能有:给逆变器的电子开关提供控制信号;以及对保护 信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。 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。因为斩波电路有三种控制方式，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. 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，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。 SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。 图4 SG3525的引脚 图5 内部框图 5.2 SG3525各引脚具体功能: (1)引脚1:误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在 开环系统中，该端与补偿信号输入端(引脚9)相连，可构成跟随器。 (2)引脚2:误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定 信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。 (3) 引脚3:振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与 外电路同步。 (4) 引脚4:振荡器输出端。 (5)引脚5:振荡器定时电容接入端。 (6) 引脚6:振荡器定时电阻接入端。 (7)引脚7:振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放电 回路。 (8) 引脚8:软启动电容接入端。 (9) 引脚9:PWM信号输入端。 (10) 引脚10:外部关断信号输入端。 (11) 引脚11:输出端A。 (12) 引脚12:信号地。 (13) 引脚13:输出级偏置电压接入端。 (14) 引脚14:输出端B。 (15) 引脚15:偏置电源接入端。 (16) 引脚16:基准电源输出端。 5.3 SG3525芯片特点如下: (1) 工作电压范围:8-35v。 (2) 5.1V微调基准电源 (3) 振荡器频率工作范围:100Hz-500kHz。 (4) 具有振荡器外部同步功能 (5)死区时间可调。 (6) 内置软启动电路。 (7) 具有输入欠电压锁定功能。 (8) 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。 (9)逐个脉冲关断。 (10)双路输出(灌电流/拉电流):Ma(峰值) 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。 5.4 控制电路原理分析: 由于SG3525的振荡频率可表示为 : 1f, C(0.7R，3R)ttd CRR式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;是与脚7相连ttd C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=1μF, tRR=10Ω,=6.2Ω。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。 td SG3525有保护的功能，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。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13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。 由此可以得出控制电路的电路图如图6所示: 图6.控制电路图 其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 6 驱动电路原理与设计 6.1 驱动电路方案设计与选择: 该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功 提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断;(2)提供能:(1) 足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通;(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率;(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘;(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式: (1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。 (2)采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1μs的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。(11) 由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离。 6.2 驱动电路工作分析: 驱动电路的电路图如图5所示: PWM调制 接IGBT栅极 接IGBT源极 图7: 驱动电路原理图 如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。 光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。 IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万pF)，在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。 7 保护电路原理与设计 在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。 du/dtdi/dt 7.1 过电压保护电路: 过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。 本次设计的电路要求输出电压为50V—80V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可 以利用SG3525的这个特点进行过压保护。当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。 如图6所示:取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压(5V)进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压是，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。 设计的过压保护电路图如图8所示: 取样电压 接入SG3525的10端 图8:过压保护电路原理图 7.2 过电流保护电路 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。 本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较， 就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。 设计的过流保护电路如图9所示: 过接流 入保SG护35输25入 的 10 端 图9: 过电流保护原理电路图 7.3 欠电压保护电路 欠电压保护是指防止输入电压发生故障，输入电压突然下跌，使得输入电压过低，导致电力电子器件或芯片工作在低电压下，可能产生的损害。所以欠电压保护就是对输入电源进行检测，当出现低电压时动作。本次设计的欠电压保护还是利用芯片SG3525的引脚10端的自锁功能。设计的欠电压保护电路如图10所示。如图所示，具体的方法是在电源侧并联大电阻，再通过电阻进行电压取样，将取样电压接入比较器的负端，与比较器的正端的基准电压(取5V)相比较。正常状态下，取样电压高于基准电压，此时输出一个负的高电压，芯片正常工作。当出现欠电压时，取样电压降低，低于基准电压，此时输出一个高电平，芯片SG3525的引脚10端锁死，IGBT的脉冲关断，电路断开，从而实现欠压保护的功能。 电 源 电 压 检接 测入 SG测 352测 5 的 10 端 图10: 欠电压保护电路原理图 7.4 IGBT的保护 IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为，,,,损坏的主要原因有两种:一是，,,,退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大;二是，,,,发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使，,,,损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，，,,,开通时电流迅速上升，di/dt很大;关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下;V开通时C5通过R34向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有Li，ic上升速度减慢;V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给Li提供释放储能的回路。如图11所示: 图11 :IGBT保护电路 8.设计稳压直流电源15V和直流电压100V 题目只给直流电压Ud=100V，而运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作 电压。如图12所示，先用变压器将220V降压为22V的交流电，再经过桥式整流得到直流电压。通过滤波电容滤波后，用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。其中变压器匝数比为220V/24V,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。选择二极管型号为IN4003。同时再将220V通过变压器降压后，再通过桥式整流，再接滤波电容滤波后，即可得到直流电压Ud=100V。 图12 :稳压15V电路 9.课程设计 经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。 刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，再不懂得地方请教老师，还有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。 知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的 文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。 尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解PWM控制器(SG3525)的运用，具体理解每个引脚代表什么，功能是什么。毕竟是第一次进行课程设计，能力不够，所以很多问题都没有考虑周到，有些难题是和同学们商量才得出的结果，期间和同组的组员做了很多的沟通和商量，从而解决了很多问题，这在合作上也是一个不小的进步。同时，老师也给予了很多的指导和意见，这让我明白了很多东西。 在答辩的时候，拿着自己的设计进行说明，老师帮助我们发现了问题，并提出了很多改进的意见，由此才得到了最后的设计图。撰写这份报告也很用心，花了很多的时间，提高了课程设计报告的撰写水平，这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的 这次的设计经验，在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么大的设计，应该分模块去完成，才会把看似难题的东西解决掉。 三(元器件清单 器件名称 规格与型号 数量 绝缘栅双极型晶体管 200V/10A 1个 续流二极管 IN414B 1个 电感 0.1mH 1个 电容 100uF/13uF/1uF/0.1uF 2/1/2/1个 二极管 IN4003 11个 金属膜电阻 20Ω/6.2Ω/10Ω/12Ω 3/1/3/1 个 金属膜电阻 88.7Ω/500Ω/2K/1K 1/1/4/5个 金属膜电阻 19.1K/5.1K/95.3K/75K 1/2/1/1个 三极管 PNP型.NPN型 各1个 滑动变阻器 1K 1个 PWM控制器 SG3525 1片 光耦合器 6N136 2个 运算放大器 LM324 1片 三端集成稳压器件 7815 1个 或门 74LS32 1片 功率电阻 0.1Ω/60W 2个 变压器 220V/24V 1个 四(参考文献 1.周克宁，《电力电子技术》北京:机械工业出版社，2004; 2.黄家善，《电力电子技术》北京:机械工业出版社; 3.王兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。北京:机械工业出版社，2000; 4.李宏，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》(1~4册)北京:机械工业出版社，2001; 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