直流斩波电路的设计

电力电子技术课程设计报告

直流斩波电路的设计

姓    名   李宁         

学    号    20070398 

年    级     2007级      

专    业 电气自动化 

系（院）         

指导教师  　　   

2009年   12 月 26 日

一、引言    1

二、设计任务    2

（一）课程设计任务

（二）课程设计内容

三、设计方案选择与论证    5

四、总体电路的设计    6

五、各功能电路模块的设计    6

（一）直流电源设计

（二）参数计算

（三）控制电路原理与设计

（四）驱动电路原理与设计

（五）保护电路的原理与设计

六、总体电路的设计    6

七、总结    6

参考文献    6

直流斩波电路的设计

一、引言

直流斩波器(DC Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC/DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。 

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts（周期）不变，改变Ton（通用，Ton为开关每次接通的时间），二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts（易产生干扰）。 

其具体的电路由以下几类： 

1、降压斩波器：（Buck Chopper电路），其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同。 

2、升压斩波器：（Boost Chopper电路），其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同 

3、降压或升压斩波器（Buck-Boost Chopper电路）

4、降压或升压斩波器（Cuk Chopper电路）

5、Sepic斩波电路

6、Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。

复合斩波电路——不同基本斩波电路组合

多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合

    直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。

    用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm^3，效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为(200-300)kHz，功率密度已达到27W/cm^3，采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管)，是整个电路效率提高到90%。    

二、设计任务

(一)课程设计的目的：

1.熟悉降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理

2.掌握两种基本斩波电路的工作状态

3.了解电路图的波形情况

(二)课程设计的主要内容

     1. 设计题目

直流斩波电路的设计

2.  设计步骤

        （1）根据给出的技术要求

（2）确定总体设计方案选择具体的元件

（3）进行硬件系统的设计

（4）进行相应的电路设计，完成相应的功能进行调试与修改

（5）撰写课程设计说明书

3.设计方法

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

主要包括：

1压斩波电路的设计

2压斩波电路的设计

3流供电电源

⑷控制和驱动电路

三、设计方案选择及论证

  由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。IGBT的通断用PWM控制，用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。降压斩波主电路原理图如图1.1所示：

图1    .1 降压斩波主电路的原理图

接通控制电路电源，用示波器分别观察锯齿波和PWM信号的波形（实验装置应给出测量端，位置在图中已标出），记录其波形、频率和幅值。调节Ur的大小，观察PWM信号的变化情况。

斩波电路的输入直流电压ui由低压单相交流电源经单相桥式二极管整流及电感电容滤波后得到。接通交流电源，观察ui波形，记录其平均值。斩波电路的主电路包括降压斩波电路和升压斩波电路两种，电路中使用的器件为电力MOSFET，注意观察其型号、外形等。

切断各处电源，将直流电源ui与升压斩波主电路连接，断开降压斩波主电路。检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。改变ur值，每改变一次ur，分别观测PWM信号的波形、电力MOSFET V的栅源 电压波形、输出电压uo的波形、输出电流io的波形，记录的PWM信号占空比a，ui、uo的平均值Ui和 Uo。

降压斩波电路

1)工作原理

t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

2)数量关系

负载电压平均值：

ton——V通的时间   toff——V断的时间  a--导通占空比

负载电流平均值：

升压斩波电路

1)工作原理

假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

2)数量关系

设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路

T/toff---升压比；升压比的倒数记作β，即β=toff/T

Β和α的关系：α+β=1

因此可表示为Uo=E/β=E/(1-α)

电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用

       电容C可将输出电压保持住

四、总体电路设计

常规升压斩波电路分析

升压斩波电路

输入的单相正弦波电压经桥式整流后变成脉动的直流,在控制电压的作用下,当高频开关元件IGBT处于通态时,设导通时间为,电压向电感L充电,因开关频率较高,充电电流基本恒定,设为;同时电容C上的电压向负载供电,因值很大,基本保持输出电压为恒值。当IGBT处于关断状态时,设关断时间为,电感L将向负载释放能量,当电路工作于稳态时,1个开关周期T内依能量相等原则可有:,即

因,故,即通过调节开关频率可以实现升压的要求。

设输入电压,升压比α= U0/ U2,因为开关频率远大于电源电压的变化频率,可认为在开关周期T内,电源电压几乎不变,故可绘出输入电流的变化曲线

 输入电流随开关频率的变化曲线

输入电流i2的变化规律可表示如下：

边值条件可由，求得

式中为开关元件的导通比。

由于电感的续流,实际输入电流的变化规律更接近于输入电流的平均值,即

通过调节开关频率即导通比D可调节升压比,即输出电压的大小.但输入电流将随D的变小而出现断续状态,其临界条件可由求得:

即只有当IGBT的导通比D小于时才能使输入电流连续.经过分析可以得到以下结论:

(1）因为只有大于1电路才能工作,所以该电路只能用于升压斩波;

(2）当D =0.5,即IGBT开关时间相同时,临界升压比,如升压比小于2,将使输入电流出现断续,呈尖顶波状,含有大量高次谐波;

(3) 如升压比大于2,此时D =0.5,虽可使电流连续,但需要的电感量将增加。

五、各功能模块电路设计

（一）直流电源设计

1.设计原理

小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图

直流电源波形图

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。电源变压器的效率为：，其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率下所示：

 因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。

在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。与交流电压的有效值的关系为：；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：；流过每只二极管的平均电流为：

                         2.1

（二） 参数计算

根据滤波电路的输出电压UI，确定电源变压器副边电压的有效值；根据滤波电路的最大输出电流，确定流过电源变压器副边的电流和电源变压器副边的功率；根据，从表2.1 查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。依据上述设计步骤，对本次课程的直流电源进行设计，输出电压为。最大输出电流假设为1A,则由可知：

变压器副边电流： 

因此，变压器副边输出功率：。

由于变压器的效率，变压器原边输入功率

               ，所以选用功率为300W的变压器。

再选用整流二极管和滤波电容，由于：，

。IN4004 的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4004。由于电路对纹波无要求，而电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为500μF，耐压为300V的电解电容。

（三）控制电路原理与设计

1．控制电路方案选择

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。

SG3525引脚图

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，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。

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。

2．控制电路工作原理

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。根据任务要求需要频率为50kHz，所以由上式可取

=1μF, =,=。可得f=49.02kHz，基本满足要求。

控制电路部分电路图

SG3525在SG3524的基础上，主要作了以下改进。 

1）增设欠压锁定电路    电路主要作用是当IC输入电压<8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。 

2）有软起动电路    比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V基准参考电压的50μA恒流源充电，使占空比由小到大（50％）变化。 

3）比较器有两个反相输入端    SG3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。 

4）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠    比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。 

5）振荡器作了较大改进    SG3524中的振荡器只有CT及RT两引脚，充电和放电回路是相同的。SG3525的振荡器，除了CT及RT引脚外，增加了放电引脚7、同步引脚3。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节 死区的时间，这是重大的改进。在SG3525中增加了同步引脚3 专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。 

6）输出级作了结构性改进    电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。另外，为了适应驱动MOSFET的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。 

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，如图4.2所示。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。

（四）驱动电路原理与设计

1．驱动电路方案选择

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能：(1)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：

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，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。

本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，所以选择此方案。

2．驱动电路分析与设计

针对以上分析，我选取了EXB841驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。

其工作电源为电源20±1V，内部含有-5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使ICBT关断；若ICBT导通时，若承受短路电流，则其电压随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下降，从而逐渐关断ICBT。

利用EXB841驱动芯片设计其驱动电路原理图如图5.2所示，两个47uf电容用于吸收噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图4.2与图5.2联系起来即可得到电路的控制驱动部分。

（五）保护电路的原理与设计

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。

1． 过电压保护

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。

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所示。

  RC阻容过电压保护电路图

2 .过电流保护

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。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

过电流保护电路如图所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

 过电流保护电路图

六、总体电路

 BUCK电路工作原理

BUCK电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.2所示：

电流持续时波形图

当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。

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

                                                       3.1

为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。

通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比α，则随之减小。此电路采用PWM方式控制IGBT的通断。

3.2 主电路参数分析

主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：

(1)电源 要求输入电压为200V。其直流稳压电源模块前面已完成，以该直流稳压电源作为系统电源。

(2)电阻 因为当输出电压为200V时，假设输出电流为0.1-1A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为             ，可得到电路电阻应该在。

(3)IGBT 由图3.1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200V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。故需选择集电极最大连续电流>，反向击穿电压的IGBT。而一般的IGBT都满足要求。

    (4)二极管 当=1时，其承受最大反压200V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择，的二极管。

(5)电感 选择大电感L(为700mL)。

3.3　实验结果

取实验参数L=3.0 mH,μf,C=2 200μf,Ω,开关频率f=10 kHz,升压比=1.25,基于等式(3-5)和式(3-9)分别进行输入电流仿真,结果如图3-4、图3-5所示.可看出改进型升压斩波电路电流几乎为正弦波,其谐波含量为常规电路的1/3以下。

常规电路输入电流仿真曲线

　新型电路输入电流仿真曲线

降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图1中Em所示。为使io连续且脉动小，通常使L值较大

升压斩波电路应用直流电动机传动时，通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。

七、总结

此次电力电子课程设计，尽管耗费了较长的时间，但是收获还是挺多的。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高我们的实际动手能力和思考的能力。

在本次设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重。最后在老师和同学的帮助下逐一得到解决。同时让我认识到只有在设计的过程中才能真正发现了自己的不足之处，发现以前所学过的知识还是理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故，好好掌握。

本次课程设计不仅使我们加深了对课本知识的理解和掌握，也大大提高了我们的实践能力。我认识到无论在什么设计中，都要有一定的耐心和毅力，不要遇到问题就退缩，要不畏困难，勇于创新。

八、参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）.北京：机械工业出版社.2009.5

[2] 陈道炼。DC-DC逆变技术及其应用。北京：机械工业出版社.2003

[3] 张乃国.电源技术．北京：中国电力出版社.1998

[4] 何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社.2001

[5] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社.2000

[6] 王云亮.电力电子技术.第一版.北京.电子工业出版社.2004.8 

[7] 王兆安,黄俊．电力电子技术(第4版).北京：机械工业出版社.2000

[8]梁延贵主编,现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册,北京:科学技术文献出版社.2002.2