电力电子降压斩波电路课程设计报告书
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绪 论 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 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。 而直流斩波器（DC Chopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路应用的两个重要领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。前者是斩波电路应用的传统领域后者则是斩波电路应用的新领域。直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器（Buck Chopper）、升压斩波器（Boost Chopper）、升降压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。 因此，课程设计的选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。 2 设计要求与方案 2.1 设计要求 降压斩波电路设计要求： 1、输入直流电压：Ud=100V 2、开关频率5KHz 3、输出电压脉率：小于10% 4.输出功率：300W 5.占空比10%~90%
2.2 方案确定
一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。 直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。根据降压斩波电路设计任务要求设计结构框图如图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。
主电路驱动电路电源触发电路3 主电路设计 3.1主电路方案 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，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方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。
3.2 工作原理 根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图1所示：
图1 主电路图 如图，IGBT在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流io流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。而IGBT截止时，电感L开始放电为负载供电，二极管VD导通，形成回路。IGBT以这种方式不断重复开通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。 降压斩波的典型波形如下图所示。 图2 降压电路波形图 当1tt时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管DV续流，负载电压0u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
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ont为IGBT处于通态的时间；offt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0U最大为E，若减小占空比α，则0U随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比α，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
3.3参数分析 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100V。 (2)电阻 因为当输出电压为200V时，假输出电流为20A。所以由欧姆定律
可得负载电阻值为1欧姆。 (3)IGBT 由图3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。故需选择集电极最续电流cI=A10，
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uo反向击穿电压VBvceo200的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。 (4)二极管 其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选
择VUN200，AIN20的二极管。
（5）开关频率 f=5KHz
4 控制电路设计
4.1 控制电路方案选择 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。 斩波电路有三种控制方式： 1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型； 2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型； 3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。 因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制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3 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3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，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 有一个双门限比较器，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。
4.2 工作原理 由于SG3525的振荡频率可表示为 ： )37.0(1dttRRCf 4.1
式中:tC, tR分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；dR是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取tC=0.01μF, tR= k1,dR=600。可得f=40kHz，满足要求。
图4 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
