降压斩波电路设计说明

...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（DCChopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器（DC/DCConverter）。直流斩波电路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，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.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：Ud=100V2.开关频率40KHz3.输出电压围50V~80V4.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：6A7.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4.1BUCK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，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，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（b）所示：图3电路工作时的电流波形图当1tt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形成通电回路。电流经二极管DV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,ont为IGBT处于通态的时间；offt为处于断态的时间；T为开关周期；K为导通占空比。通过调节占空比K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。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ton不变，改变开关周期T，称为频率调制工作方式；2）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方式；3）开关导通时间ton和开关周期T都可调，称为混合型。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。故需选择集电极最续电流cI5A，反向击穿电压Bvceo100v的IGBT。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最续电流cI》10A，反向击穿电压Bvceo》200V的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Vc100v,I5A的二极管。考虑2倍的安全裕量：Umin=2Xu1=200VImin=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控制电路方案比较及选择：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，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，部框图如图5所示。图4SG3525的引脚...图5部框图5.2SG3525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。...5.3SG3525芯片特点如下：（1）工作电压围：8-35v。（2）5.1V微调基准电源（3）振荡器频率工作围：100Hz-500kHz。（4）具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。（6）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。5.4控制电路原理分析：由于SG3525的振荡频率可表示为：)37.0(1dttRRCf式中:tC,tR分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；dR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tC=1μF,tR=10Ω,dR=6.2Ω。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40kHz即满足要求。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