降压斩波电路.doc

电力电子技术课程设计报告课题：降压斩波电路的设计目录一 引言二 课程设计1 降压斩波电路的设计目的 2. 降压斩波电路的设计内容及要求 3. 降压斩波电路主电路基本原理 4. igbt驱动电路 4.1 igbt简介 4.2 驱动电路设计方案比较 5. 保护电路的设计 6. matlab仿真 6.1 matlab简介 6.2 matlab发展历程 6.3 主电路仿真 7.protel原理图及pcb图的绘制 8. 心得体会9. 元件清单三参考文献 一 引言高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。buck变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，buck变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。二课程设计1.降压斩波电路的设计目的(1). 通过对降压斩波电路（buck chopper）的设计，掌握buck chopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行buck chopper电路和系统设计的能力。(2). 了解与熟悉buck chopper电路拓扑、控制方法。(3). 理解和掌握buck chopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。(4). 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力2. 降压斩波电路的设计内容及要求(1). 设计内容: 对buck chopper电路的主电路和控制电路进行设计，参数如下：直流电压e200v，负载中r10，l值极大,反电动式e130v。(2).设计要求(a)理论设计：了解掌握buck chopper电路的工作原理，设计buck chopper电路的主电路和控制电路。包括：igbt电流,电压额定的选择，画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元器件的明细表(b).仿真实验:利用matlab仿真软件对buck chopper 电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验(c).实际制作：利用protel软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计pcb印制电路板。最后完成系统电路的组装，调试。3.降压斩波电路主电路基本原理降压斩波电路主电路工作原理图如下：图1 降压斩波电路主电路工作原理图t=0时刻驱动v导通，电源e向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。图3 电流断续时的波形tttooo图2 电流连续时的波形teigtontoffioi1i2i10i20t1uooootttteeigigtontoffiotxi1i2i20t1t2uoemt=t1时控制v关断，二极管vd续流，负载电压近似为零，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。 当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等如图2所示，负载电压的平均值为：式中，为v处于通态的时间，为v处于断态的时间；t为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流的平均值为：若负载中l值较小，则在v关断后，到了时刻，如图3所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，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。4.igbt驱动电路4.1igbt 简介igbt 是三端器件，具有栅极g，集电极 c和发射极 e。它是个场控器件，通断由栅射极电压 uge决定。uge 大于开启电压uge(th)时，mosfet内形成沟道，为晶体管提供基极电流，igbt 导通。通态时电导调制效应使电阻 r减小，使通态压降减小。当栅射极间施加反压或不加信号时，mosfet内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，igbt 关断。一般igbt的开启电压uge（th）在 25度时为26v左右，而实际一般驱动电压取1520v，且关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随被驱动器件电流定额值的增大而减小。 图4 igbt基本结构4.2 驱动电路设计方案比较：4.2.1 一个理想的igbt驱动器应具有以下基本驱动性能：(1)动态驱动能力强，能为igbt栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当igbt在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过igbt通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制igbt的开关频率和输出能力，同时对igbt的安全工作构成很大威胁。igbt的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。igbt的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使igbt栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。 (2)能向igbt提供适当的正向栅压。igbt导通后的管压降与所加栅源电压有关，在集射电流一定的情况下，vge越高，vce越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是，vge并非越高越好，vge过大，负载短路时ic增大，ilbt能承受短路电流的时间减少，对安全不利，一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，igbt损坏的可能性就越大。因此，在有短路程的设备中vge应选小些，一般选1215v。 (3)在关断过程中，为尽快抽取pnp管中的存储电荷，能向igbt提供足够的反向栅压。考虑到在igbt关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的igbt处于微通状态，增加管子的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态，因此，最好给应处于截止状态的igbt加一反向栅压(515v)，使igbt在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。 (4)有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，igbt与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外，许多电路中的igbt的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接藕合。因此驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，也有利于维修调试人员的人身安全。但这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。 (5)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。igbt栅极极限电压一般为20v，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6)输入输出信号传输无延时。这不仅能够减少系统响应滞后，而且能提高保护的快速性。(7)大电感负载下，igbt的开关时间不能过分短，以限制didt所形成的尖峰电压，保证igbt的安全。4.2.2 方案比较（1）pwm 调制方式它是开电源中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信号与内部产生的锯齿波较，然后产生一个恒频变宽的方波信号去控制功率开关管。根据负载情况实时调节开导通时间，从而稳定输出电压 图5 pwm 调制原理电路图 图6 pwm波形总的说来，pwm 控制方式在开关电源中使用最为普遍，它具有以下优点:在负载较重情况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式。同时，pwm 控制方式存在以下缺点:输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。（2）电压控制模式（pwm）它是直流开关电源最基本的一种控制，属于单环负反馈控制。其实质是:在输出电压out端分压采样 vfb，与给定(基值 vref)比较，然后用比较信号控制振荡器的频率或者占空比，再由振荡器输出调整后的开关信号驱动功率开关管，从而使输出端电压稳定在某一个预定值。因此电压控制模式直流转换器是单闭环负反馈控制系统图7 电压反馈控制模式原理图图 7 所示为电压反馈控制模式原理图，转换器输出电压vout 的采样信号 vfb 与基准电压vref比较，比较输出信号经反相器反向，d触发器整形，然后和振荡器与输出控制开关管。当输出电压超出预定值，则反馈控制信号为低电平，低电平d 触发输出将振荡器的脉冲信号与为 0，控制开关管持续关断，从而降低出出端电压。同理，当输出端电压低于预定值时，翻开控制信号使开关管持续不断导通，从而增加输出端电压。这就是电压反馈控制机理，只需要一个反馈信号 vfb，就可以实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。（3）pfm 控制模式pwm 调制方式是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器(比如，压控振荡器 vco)改变频率。即通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出恒宽变频的方波信号去控制功率开关管。依据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其调制原理如图8所示，工作波形如图9所示。总的说来，pfm控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点:在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。同时，也存在以下缺点:负载调整范围窄，滤波成本高。图8 调制原理图9工作波形（4）psm控制模式psm ( pulse-skippingmodulation)调制方式是开关电源中一种新的控制方式，称为脉冲跨周期调制。将负载端电压反馈信号与基准电压比较转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压 。其调制原理如图 10 所示，工作波形如图11 所示。当反馈采样信号 vfb 大于基准电压 vref时，比较器输出低电平，然后经过 d 触发器的整形和同步，在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号跨过(与门的作用)，调节开关管关断，从而降低输出端电压;当反馈采样信号 vf13小于基准电压 vref时，比较器输出高电平，然后经过 d触发器的整形和同步，在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号送出(与门的作用)，调节开关管持续导通与关断，从而提高输出端电压。图10 调制原理图 图11工作波形（1）脉冲产生电路工作原理：当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻 r1 向电容c1充电。当充到输入电压为触发器的正门限电压时，输出跳变为低电平，电容又经电阻 r2 开始放电。当放电至触发器的负门限电压时，输出电位又跳变为高电平，电容 c1 重新开始充电。如此周而复始，电路不停的振荡。通过调节电阻，电容的值可以改变振荡周期。同时可以改变 r1 和r2的比值来改变占空比。电路如下所示：图12 电路图图13 波形图（2）放大驱动电路采用达林顿管进行放大。（3）信号隔离采用光耦 tlp5211进行电器隔离。5.保护电路的设计（1）过电压保护所谓过电压保护，即指流过igbt两端的电压值超过igbt在正常工作时所能承受的最大峰值电压um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。电路如下图14所示： 图 14 保护电路（2）过电流保护 所谓过电流保护，即指流过igbt的电压值超过igbt在正常工作时所能承受的最大峰值im都称为过电流。这里采用图15所示的电路 图15 过电流保护（3）.igbt的保护 a. 静电保护 igbt的输入级为mosfet，所以igbt也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。在静电较强的场合，mosfet容易静电击穿，造成栅源短路。采用以下方法进行保护：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25w，最好使用12v24v的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试mosfet时，测量仪器和工作台都必须良好接地，mosfet的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。 b.过电流保护igbt过电流可采用集射极电压状态识别保护方法，电路如图16所示： 图 16 集射极电压状态识别保护电路c.短路保护 图 17 短路保护电路(4).缓冲电路 缓冲电路（吸收电路）的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。这里采用由r lc组成的电路来吸收电压、电流，如图18：图18 缓冲电路6、matlab仿真6.1 matlab仿真简介 matlab 是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。matlab的优势如下：（1） 友好的工作平台和编程环境；（2）简单易用的程序语言；（3） 强大的科学计算机数据处理能力； （4） 出色的图形处理功能； （5） 应用广泛的模块集合工具箱； （6） 实用的程序接口和发布平台； （7） 应用软件开发（包括用户界面）。6.2 主电路的仿真1.按原理图在matlab中搭建模块，搭建好的模型图如下：图19 仿真模型图2调试与结果（a）. 调节触发脉冲的占空比为10%，得出输出电流和电压（图20）及其波形如下所示图20 占空比10%波形（b）. 调节触发脉冲的占空比为20%，得出输出电流和电压（图21）及其波形如下所示：图21 占空比20%波形（c）. 调节触发脉冲的占空比为30%，得出输出电流和电压（图22）及其波形如下所示：图22占空比30%波形（d）. 调节触发脉冲的占空比为40%，得出输出电流和电压（图23）及其波形如下所示：图23占空比40%波形（e）. 调节触发脉冲的占空比为50%，得出输出电流和电压（图24）及其波形如下所示：图24 占空比50%波形（f）.设定占空比为70%,得出输出电流和电压（图25）及其波形如下所示：图25占空比70%波形（g）. .设定占空比为90%,得出输出电流和电压（图26）及其波形如下所示: 图26占空比90%波形7、portel原理图及pcb图的绘制7.1 protel简介 protel：protel是portel公司在80年代末推出的eda软件，在电子行业的cad软件中，它当之无愧地排在众多eda软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用protel。早期的protel主要作为印制板自动布线工具使用，运行在dos环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1m内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的protel已发展到protel99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的eda软件，完全安装有200多兆，它工作在windows95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有client/server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如orcad，pspice，excel等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度pcb的100布通率。在国内protel软件较易买到，有关protel软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。7.2 portel原理图设计 在原有主电路、驱动电路、缓冲电路的基础上，portel原理图中还添加了电气隔离环节，将驱动电路与主电路进行隔离。portel原理图如下图所示：图27 portel原理图7.3 pcb印刷电路板设计1.设计步骤如下：（1）准备电路原理图和网络表： 根据设计要求设计电路原理图，并绘制原理图，然后由该原理图文件生成相应的网络表。对于相当简单的电路图，也可以直接进行印制电路板设计。 （2）规划印制电路板： 在设计电路板之前，要对电路板有个初步的规划，主要包括电路板的选择，采用几层电路板、板材的物理尺寸、各元件的封装形式等，这是一项相当重要的工作，是电路板设计的框架。 （3）设置参数： 设置参数包括设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等。大多数情况下，可以直接使用系统的默认值，参数设置是一次性完成的，在后续的设计工作中很少需要修改。 （4）加载网络表和元件封装： 网络表是自动布线的基础，是连接原理图和印制电路板的纽带。只有加载了网络表和元件封装后，电路板的自动布线才能完成。 （5）元件布局： 规划电路板并导入网络表后，通过执行命令，系统将自动装入元件并将元件布置在电路板边框内。元件布局可以由系统自动完成，然后进行手工调整布局，布局合理后才能进行下一步的布线工作。元件布局是印制电路板设计中比较花费精力的一个步骤，需要设计者有足够的耐心。 （6）自动布线： protel dxp 2004中自动布线的功能相当强大，只要把有关参数设置得适当，元件布局合理，系统就会根据设置的规则选择最佳的布线策略进行自动布线，成功率几乎100%。 (7)手工调整： 自动布线虽然成功率很高，但往往存在不满意的地方，这时就需要进行手工调整，以满足设计要求。 (8)drc检查： 布线完成后，为了确保pcb板符合设计规则、所有的网络连接正确，必须对电路板进行设计规则检查（drc）。 (9)保存及打印输出： 完成布线后，可以将完成的印制电路板文件保存到磁盘，利用输出设备如打印机等，输出电路板的布线图。2、印刷电路板如下图所示图28 印刷电路板8.心得体会每次做课程设计我们都感觉入手比较困难，因为它首先要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其联系贯穿起来，因此课程设计是综合性比较强的。这次的电力电子课程设计是我做的最辛苦的一次，主要的原因是老师的要求十分的高，其次就是，这次试验要求我们学习两个从来就没有接触过的软件