降压斩波电路专业课程设计

目录一、引言...........................................................................................2二、设计规定与方案.......................................................................22.1设计规定.....................................................................................................22.2方案拟定....................................................................................................3三、主电路设计................................................................................33.1主电路方案.................................................................................................33.2工作原理.....................................................................................................43.3参数分析.....................................................................................................5四、控制电路设计............................................................................54.1控制电路方案选取.....................................................................................54.2工作原理.....................................................................................................64.3控制芯片简介.............................................................................................7五、驱动电路设计............................................................................95.1驱动电路方案选取......................................................................................95.2工作原理.....................................................................................................10六、保护电路设计............................................................................116.1过压保护电路.............................................................................................116.2过流保护电路.............................................................................................12七、系统仿真及结论............................................................................13八、结论................................................................................16九、参照文献....................................................................................16十、道谢............................................................................................17一、引言随着电力电子技术高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，电子设备种类也越来越多。电子设备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，重量轻和效率高长处而在各种电子信息设备中得到广泛应用。随着着人们对开关电源进一步升级，低电压，大电流和高效率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原则化。DC/DC变换是将固定直流电压变换成可变直流电压，也称为直流斩波。斩波电路重要用于电子电路供电电源，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一种电路，是用IGBT作为全控型器件降压斩波电路，用于直流到直流降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管复合器件。它既有MOSFET易驱动特点，又具备功率晶体管电压、电流容量大等长处。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畴内，故在较高频率大、中功率应用中占据了主导地位。因此用IGBT作为全控型器件降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大长处。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辽阔发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展趋势，增进了IGBT降压斩波电路发展。二、设计规定与方案2.1设计规定2.1.1课程设计目1、培养文献检索能力，特别是如何运用Internet检索需要文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题能力。3、培养运用知识能力和工程设计能力。4、提高课程设计报告撰写水平。2.1.2课程设计规定降压斩波电路设计规定：1、输入直流电压：U=100Vd2、开关频率5KHz3、输出电压20V4、最大输出电流：20A5.L=100mH6.输出功率：400W7.占空比0.22.2方案拟定电力电子器件在实际应用中，普通是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心主电路构成一种系统。由信息电子电路构成控制电路按照系统工作规定形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件导通或者关断来完毕整个系统功能，当控制电路所产生控制信号可以足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。依照降压斩波电路设计任务规定设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路构造框图如图1所示。图1降压斩波电路构造框图在图1构造框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路控制信号，控制电路产生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信号。通过控制开关开通和关断来控制降压斩波电路主电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流现象损害电路设备。三、主电路设计3.1主电路方案依照所选课题设计规定设计一种降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路通断即变化占空比，从而获得咱们所想要电压。这就可以依照所学buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简朴方案，直接进行直直变换简化了电路构造。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简朴电路复杂化，不可取。至于开关选取，选用比较熟悉全控型IGBT管，而不选半控型晶闸管，由于IGBT控制较为简朴，且它既具备输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简朴等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等长处。3.2工作原理依照所学知识，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种全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3所示：ttoffonOiTttoxi1i2Outt1I2toE20EOb)EtttiGiGM图3降压电路波形图当tt1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流持续且脉动小，故串联L值较大电感。至一种周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期过程。当电力工作于稳态时负载电流在一种周期初值和终值相等，负载电压平均值为UonUonUUottoniTiiofftton为IGBT处在通态时间；off为处在断态时间；T为开关周期；α为导通占空比。通过调节占空比α使输出到负载电压平均值U0最大为E，若减小占空比α，则U0随之减小。由此可知，输出到负载电压平均值Uo最大为Ui，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拟定参数元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值拟定，其参数拟定如下：(1)电源规定输入电压为100V。(2)电阻由于当输出电压为200V时，假输出电流为20A。因此由欧姆定律UR0Io可得负载电阻值为1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iGttoffOonTtioi1i2I10I20Out1toEOa)t压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选取集电极最大持续电流I=10A，c反向击穿电压Bvceo200VIGBT，而普通IGBT都满足规定。(4)二极管其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选取U200V，I20A二极管。NN(5)电感L=100mH;（6）开关频率f=5KHz（7）电容设计规定输出电压纹波不大于1%四、控制电路设计4.1控制电路方案选取控制电路需要实现功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件通断，通过对占空比调节达到控制输出电压大小目。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，变化开关周期T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比变化，称为混合型。由于斩波电路有这三种控制方式，又由于PWM控制技术应用最为广泛，因此采用PWM控制方式来控制IGBT通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，变化脉冲占空比来获得所需输出电压。变化脉冲占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是由于输入电压和所需要输出电压都是直流电压，因而脉冲既是等幅，也是等宽，仅仅是对脉冲占空比进行控制。图4.1SG3525引脚图对于控制电路设计其实可以有诸各种办法，可以通过某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PWM发生芯片来控制。由于题目规定输出电压持续可调，因此我选用普通PWM发生芯片来进行持续控制。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PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部涉及精