降压斩波电路设计

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（DC Chopper）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/DC Converter）。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范围内，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=100V 2.开关频率40KHz

3.输出电压范围50V~80V 4.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：6A 7.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

4.1 BUCK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时间内，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（b）所示：

图3 电路工作时的电流波形图

当t?t1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,

ton为IGBT处于通态的时间；toff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U0最大为E，若减小占空比α，则U0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。故需选择集电极最大连续电流Ic>5A，反向击穿电压Bvceo>100v的IGBT。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流Ic》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Vc>100v,I>5A的二极管。考虑2倍的安全裕量： Umin=2Xu1=200V Imin=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。

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