1、降压斩波变换技术的工程应用一、 引言3二、设计任务32.1.1 课程设计目的32.1.2 设计的步骤3三、设计案选择及论证3四、总体电路设计 4五、各功能模块电路设计45.1控制电路设计45.1.1驱动电路案选择 45.1.2工作原理 55.2驱动电路设计 65.2.1 驱动电路案选择 65.2.2工作原理 65.3保护电路设计 75.3.1过压保护电路75.3.2 主电路器件保护75.3.3 负载过压保护75.3.4 过流保护电路8六、总体电路96.1 主电路案96.2 工作原理96.3参数分析11七、总结11八、参考文献12一、引言 随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛
2、，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率向发展。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。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。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与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，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
3、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。 GBT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。2、设计任务2.1.1 课程设计目的1、培养文献检索的能力，特别是如利用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。2.1.2 设计的步骤 根据给出的技术要求，确定总体设计案 选择具体的元件，进行系统的设计 进行相应的电路设
4、计，完成相应的功能 进行调试与修改 撰写课程设计说明书三、设计案选择及论证 斩波电路有三种控制式（1） 脉冲宽度调制（PWM）：开关期T不变，改变开关导通时间Ton。（2） 频率调制：开关导通时间不变，改变开关期T。（3） 混合型：开关导通时间和开关期T都可控，改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的法，开关选用全控型器件IGBT，它集中了电力MOSFET和GTR的优点。四、总体电路设计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降压斩波电路结构框图在图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
5、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。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。五、各功能模块电路设计5.1控制电路设计5.1.1驱动电路案选择 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。因为斩波电路有三种控制式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制式来控制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
6、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。图4.1 SG3525引脚图对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制案，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。 5.1.2 工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ： 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相连的放电端电阻值。根据需求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01F,
7、= ,=。可得f=40kHz，满足要求。 图4.2 控制电路SG3525有过流保护的功能，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，同理也可以用10端进行过压保护，如图4.2所示10端外接过压过流保护电路。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11、14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。SG3525还有稳压作用。1端接芯片置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所
8、接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V围。5.2驱动电路设计5.2.1 驱动电路案选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。对驱动电路进行以下设计。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
9、压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较便，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1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。5.2.2工作原理 图5.2 驱动电路如图5.2所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。本电路中采用的隔离法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是TLP521-1。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。 原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。5.3保护电路设计5.3.1 过压保护电路过压保护要根据电路
10、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，所以可分为主电路器件保护和负载保护。5.3.2 主电路器件保护当达到定电压值时，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。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1.1所示。图6.1.1 RC阻容过电压保护电路图5.3.3 负载过
11、压保护如图6.1.1所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。 图 6.1.2
12、 负载过压保护5.3.4 过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。过流保护的法比较多，比较简单的法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。如图1 在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种法如图6.2所示，也是利用控制电路芯片的第10端。在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用
13、比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。 图6.2 过流保护电路六、总体电路6.1 主电路案 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，这个案是较为简单的案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种案把本该简单的电路复杂化，不可取。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。6.2 工作原理 根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2所示： 图2 主电路图
