电力电子课程设计参考 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】课程设计说明书题目名称：10～40V降压直流斩波电路实验装置系部：电力工程系专业班级：学生姓名：学号：指导教师：张海丽完成日期：新疆工程学院课程设计评定意见设计题目 10～40V降压直流斩波电路实验装置系部电力工程系专业班级学生姓名学生学号评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月日评定意见参考提纲：1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2、学生的勤勉态度。
3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。
新疆工程学院电力工程系(部)课程设计任务书学年第学期年月日教研室主任（签名）系（部）主任（签名）摘要直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路，直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。
TDC-1型学习机是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的“电力电子”或“半导体变流技术”等课程中的直流斩波电路实验并根据当今电力电子技术的发展方向及应用而设计的新型实验装置。
该学习机面板上画有原理图。
各测试点均装有测试探头可以钩住的端子。
测试电压及波形十分方便。
使学生在实验课中安全、方便、直观地观察到各种电压、电流的波形及数据。
关键词：直流电力电子变换电路目录1绪论 (1)1.1直流斩波电路的介绍 (1)1.2直流斩波电路的发展前景 (1)2降压直流斩波电路设计 (2)2.1 降压斩波电路工作原理 (2)2.2 主电路元器件参数选择 (5)3 驱动电路的设计 (7)3.1 IGBT驱动电路选择 (7)4 整流电路的设计 (9)4.1 整流电路 (9)4.2 工作原理 (10)4.3 参数计算 (11)4.4 整流电路的选定 (12)5 控制电路的设计 (13)5.1 芯片介绍 (13)5.2 IGBT控制电路的设计 (14)6 保护电路的设计 (15)6.1 保护电路设计基本原则 (15)6.2 保护电路的设计 (15)6.2.1 过电压保护电路 (15)6.2.2 过电流保护电路 (16)7 生成总的电路图 (18)7.1 总原理图 (18)7.2 此电路的主要功能 (18)总结 (19)致谢 (20)参考文献 (21)1绪论1.1直流斩波电路的介绍直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS ）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。
从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。
直流变换系统的结构如下图1.1所示。
由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。
图1.1 直流变换系统结构1.2直流斩波电路的发展前景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。
DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。
斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（T 不变，改变on t ）和频率调制方式（on t 不变，改变T ）两种。
前者较为通用，后者容易产生干扰。
当今世界软开关技术使得DC/DC 变换器发生了质得变化和飞跃。
美国VICOR 公司设计制造得多种ECI 软开关DC/DC 变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）3W，效率为（80—90）%。
日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软/cm开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达273W，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路/cm效率提高到90%。
2降压直流斩波电路设计2.1 降压斩波电路工作原理完整的降压斩波电路除起降压器作用的主电路之外还要有驱动电路，控制电路和保护电路。
其结构框图如图2.1所示。
图2.1 电路结构框图在图2.1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT的控制信号的，控制电路产生的信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换成电压信号加在IGBT的控制端跟公共端之间，使其开通或关断，达到控制主电路的目的。
电路的原理图及工作波形如图2.2所示。
图2.2 降压斩波电路主电路及工作波形此电路使用一个全控型器件IGBT，图中为V，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
并设置了续流二极管VD，在IGBT关断时给负载中电感电流提供通道。
主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图2.2中Em所示。
工作原理：当0=t 时刻驱动IGBT 导通，电源E 向负载供电，负载电压E u o =，负载电流o i 按指数曲线上升。
当 1t t =时控制IGBT 关断，二极管VD 续流，负载电压o u 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。
基于分时段线性电路这一思想，按IGBT 处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。
电流连续时得出：负载电压的平均值为： E E Tt E t t t U on off on on O α==+=式中on t 为IGBT 处于通态的时间，off t 为IGBT 处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。
负载电流平均值为RE U I m o o -=。
R E m e e I I ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---==1110min ραρ；R E m e e I I ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---==--ραρ1120max 。
式中T t on =α，τρT =，R L =τ,E E m m =。
把上式用泰勒级数近似，可得()o I R E m I I =-≈≈α2010。
平波电抗器L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即T I E T RI t EI o m o on o +=2。
则R E E I mo -=α。
假设电源电流平均值为1I ，则有o o on I I T t I α==1其值小于等于负载电流0I 电流断续的条件：11-->ραρe e m 。
输出电压平均值为：()TE t t T E t U M x on on --+=o负载电流平均值为：RE U I m o o -=。
电流断续时，负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
斩波电路有三种控制方式：（1）脉冲宽度调制：保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t（2）频率调制：保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T 。
（3）混合型：on t 和T 都可调，使占空比改变。
2.2 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，其参数选择如下说明：1、直流电源。
()V U d 100=由直流电源提供。
2、电阻R 。
取导通占空比%90=α，则()V U o 90=，已知输出功率300W ， 则()A U P I o o 31090300=== Ω==27oo I U R 。
3、IGBT 。
当%90=α时，()V U o 90=，()A R U I o 33.32790max ===取2倍裕量，()A I N 66.6233.3=⨯=。
IGBT 承受的最大截止电压为输入电压()V U d 100=，取2倍裕量则()V U N 2002100=⨯=。
由此两数据选择IGBT 型号为GT8Q101。
4、二极管VD 。
VD 承受最大反相电压为100V ，即为其最大工作电压。
()V U N 100=最大工作电流为()A R U I N N 70.327100===由于需要瞬间导通，二极 管的开关速度大，则选择续8A/200V 型号SF84的快速恢复二极管。
其开关频率为5KHZ 。
5、电感L 。
选择大电感，使得电路能够续流。
此时的临界电感为（设输出电压为60V ）：()()mH mH I fU U U U L o d o d o 36.0106.366.610050002601006024=⨯=⨯⨯⨯-⨯=-=-，考虑裕量后取mH L 1=.6、电容 C 。
由输出电压脉率要求小于10%，选择电容（输出电压为60V ） ()()F F U U Lf U U U C d C o d o μ2.1102.11001.050001860100608622=⨯=⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-=-，所以选择常用电容F C μ2.2=。
7、整流桥二极管的选择。
在桥式整流电路中，每只二极管只在输入电压的半个周期内导通，因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半，即()()LAV O AV D R U I I 245.02==。
在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器二次测电压2U 的最大值，即 22U U RM =，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流Lo F R U I I 255.021.1=≥，最大反向电压221.1U U R ≥。
8、滤波电容的选择：LR T C 25= 3 驱动电路的设计3.1 IGBT 驱动电路选择PWM 控制信号由于强度不够，不能够直接去驱动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。
因而设计中还需要有带电器隔离的部分。
所以我采用光电耦合式驱动电路。
一、驱动电路原理如图3.1所示，IGBT 降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。
光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。
本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。
采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT 的电压叫高，约为12V 左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V 左右，直接连入无法驱动IGBT 。
