1、目 錄一、 引言3二、設(shè)計(jì)任務(wù)32.1.1 課程設(shè)計(jì)目的32.1.2 設(shè)計(jì)的步驟3三、設(shè)計(jì)方案選擇及論證3四、總體電路設(shè)計(jì) 4五、各功能模塊電路設(shè)計(jì)45.1控制電路設(shè)計(jì)45.1.1驅(qū)動(dòng)電路方案選擇 45.1.2工作原理 55.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 65.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇 65.2.2工作原理 65.3保護(hù)電路設(shè)計(jì) 75.3.1過(guò)壓保護(hù)電路75.3.2 主電路器件保護(hù)75.3.3 負(fù)載過(guò)壓保護(hù)75.3.4 過(guò)流保護(hù)電路8六、總體電路96.1 主電路方案96.2 工作原理96.3參數(shù)分析11七、總結(jié)11八、參考文獻(xiàn)12一、引言 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的

2、種類也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。開關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對(duì)開關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓，大電流和高效率的開關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，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MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，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

3、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(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。 GBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢(shì)，促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。2、 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1.1 課程設(shè)計(jì)目的1、培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)綜合分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。3、培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、提高課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。2.1.2 設(shè)計(jì)的步驟 根據(jù)給出的技術(shù)要求，確定總體設(shè)計(jì)方案 選擇具體的元件，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)

4、計(jì)，完成相應(yīng)的功能 進(jìn)行調(diào)試與修改 撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書三、設(shè)計(jì)方案選擇及論證 斬波電路有三種控制方式（1） 脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開關(guān)周期T不變，改變開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton。（2） 頻率調(diào)制：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T。（3） 混合型：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)周期T都可控，改變占空比。本次設(shè)計(jì)采用的是脈寬調(diào)制的方法，開關(guān)選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)。四、總體電路設(shè)計(jì)根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來(lái)產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號(hào)，控制電路

5、產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。通過(guò)控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來(lái)控制降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo(hù)電路是用來(lái)保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過(guò)電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。五、各功能模塊電路設(shè)計(jì)5.1控制電路設(shè)計(jì)5.1.1驅(qū)動(dòng)電路方案選擇 控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。因?yàn)閿夭娐酚腥N控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來(lái)控制IGBT的通斷。PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變

6、脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。圖4.1 SG3525引腳圖對(duì)于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖4.1所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。 5.1.2 工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ： 式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)需求需要頻率為40kHz，所以由上

7、式可取=0.01F, = ,=?？傻胒=40kHz，滿足要求。 圖4.2 控制電路SG3525有過(guò)流保護(hù)的功能，可以通過(guò)改變10腳電壓的高低來(lái)控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動(dòng)電路輸出的過(guò)流保護(hù)電流信號(hào)經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，同理也可以用10端進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，如圖4.2所示10端外接過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到過(guò)流時(shí)發(fā)出電流信號(hào)，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過(guò)流時(shí)，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負(fù)載輸出電壓，通過(guò)1端的變位器得到它的一個(gè)基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)

8、生變化時(shí)能夠通過(guò)1、2所接的誤差放大器來(lái)控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得1端得到不同的基準(zhǔn)電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸出電壓為50-80V范圍。5.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)一般難以以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計(jì)中還學(xué)要有帶電氣隔離的部分。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不

9、受限制，較易檢測(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對(duì)脈沖信號(hào)有1us的時(shí)間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場(chǎng)合。5.2.2工作原理 圖5.2 驅(qū)動(dòng)電路如圖5.2所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，再加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。 原理：控制電路所輸出的信號(hào)通過(guò)TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號(hào)放大。5.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.3.1

10、 過(guò)壓保護(hù)電路過(guò)壓保護(hù)要根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。5.3.2 主電路器件保護(hù)當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖6.1.1所示。圖6.1.1 RC阻容過(guò)

11、電壓保護(hù)電路圖5.3.3 負(fù)載過(guò)壓保護(hù)如圖6.1.1所示 比較器同相端接到負(fù)載端，反相端接到一個(gè)基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以內(nèi)，取負(fù)載輸出電壓最大值80V來(lái)算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10

12、k，R19=2k。 圖 6.1.2 負(fù)載過(guò)壓保護(hù)5.3.4 過(guò)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(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)的方法比較多，比較簡(jiǎn)單的方法是一般采用添加FU熔斷器來(lái)限制電流的過(guò)大，防止IGBT的破壞和對(duì)電路中其他元件的保護(hù)。如圖1 在主電路串接一個(gè)快速熔斷絲。還有一種方法如圖6.2所示，也是利用控制電路芯片的第10端。在主電路的負(fù)載端串接一個(gè)很小取

13、樣電阻，把它接到放大器進(jìn)行放大，后再利用比較器，運(yùn)用過(guò)壓保護(hù)原理同樣能實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點(diǎn)幾伏，需要通過(guò)放大器把電壓放大到幾伏左右，由放大器運(yùn)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。放大后把它接到比較器中比較使得比較器輸出端電位升高，與過(guò)壓保護(hù)一樣原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。 圖6.2 過(guò)流保護(hù)電路六、總體電路6.1 主電路方案 根據(jù)所選課題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)降壓斬波電路，可運(yùn)用電力電子開關(guān)來(lái)控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所

14、想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個(gè)方案是較為簡(jiǎn)單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡(jiǎn)單的電路復(fù)雜化，不可取。至于開關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因?yàn)镮GBT控制較為簡(jiǎn)單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)。6.2 工作原理 根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，直流降壓斬波主電路如圖2所示： 圖2 主電路圖直流降壓斬波主電路使用一個(gè)全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，

15、電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時(shí)波形圖如圖3所示： 圖3 降壓電路波形圖 當(dāng)時(shí)刻，控制IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為 為IGBT處于通態(tài)的時(shí)間；為處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比使輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo 最大為U i，若減小占空比，則Uo 隨

16、之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。6.3參數(shù)分析主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：(1)電源 要求輸入電壓為100V。(2)電阻 因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為50-80V時(shí)，假設(shè)輸出電流為0.1-5A。所以由歐姆定律可得負(fù)載電阻值為，所以取電阻20歐姆。(3)IGBT 由圖3易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流=，反向擊穿電壓的IGBT，而一般的IGBT都滿足要求。(4)二極管 其承受最大反壓100V，其承

17、受最大電流趨近于5A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。(5)電感 由上面所選的電阻20歐姆，根據(jù)歐姆定律： 當(dāng)Uo=80V時(shí)，Iomax=4A;當(dāng)Uo=50V時(shí)，Iomin=2.5A;根據(jù)電感電流連續(xù)時(shí)電感量臨界值條件：L=Uo*（Ud-Uo）/(2UdIo)為了保證負(fù)載最小電流電路能夠連續(xù)，取Io=2.5A來(lái)算，可得L=0.125mH，所以只要所取電感L>0.125mH ，取L=1mH。（6）開關(guān)頻率 f=40kHz（7）電容 設(shè)計(jì)要求輸出電壓紋波小于1%，由紋波電壓公式： 可得 LC >= 0.195 uH*F 取C=0.47mF七、總結(jié)經(jīng)過(guò)電力電子課程學(xué)習(xí)，真的是獲益不少。

18、當(dāng)看到這個(gè)任務(wù)書的時(shí)候感覺真正要學(xué)的東西來(lái)了，以前所學(xué)的理論知識(shí)終于可以用上了。于是拿起了課題認(rèn)真的看了看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一頭霧水，就大概知道一個(gè)主電路而已。而至于控制電路和保護(hù)電路根本就不知道怎么回事，只知道以前做實(shí)驗(yàn)有用過(guò)控制電路而不知道里面的內(nèi)部是怎么接線的。于是通過(guò)慢慢的看書，我在直流-直流變流電路那一章中掌握了IGBT降壓斬波電路主電路的設(shè)計(jì)，在PWM控制技術(shù)那一章中掌握了控制電路的設(shè)計(jì)。 經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，不僅讓我加深了很多課本上的知識(shí)，也讓我懂得了很多其它的。對(duì)于仿真，首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常見的器件。還有一些元件的元件庫(kù)也沒有加載，因?yàn)椴恢滥切┰儆谀膫€(gè)元件庫(kù)感覺真的好麻煩啊 ，后來(lái)經(jīng)過(guò)多次畫圖操作漸漸地也較熟悉了。以前課本上所學(xué)的東西只是理論上的，要把理論變?yōu)閷?shí)際還需要很多大量細(xì)節(jié)的東西，如何使你設(shè)計(jì)出