降压斩波电路的课程设计.doc

(一) 设计任务书 题目四 降压斩波电路（Buck Chopper）的设计 通过对降压斩波电路的设计，掌握其工作原理，运用所学知识，进行降压斩波电路和系统的设计。 了解与熟悉降压斩波电路拓扑，控制方法。 理解和掌握降压斩波电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握器件的选择计算方法。 使设计出的电路在条件（1）直流电压E=50v，R=20,L、C值极大，Em=30v，（2）直流电压E=50V，R=20,L=1Mh,C值极大，使电路在此两种条件下在改变占空比的情况下驱动相应的直流电动机运转。(二) 课程设计的总体要求1.（1）熟悉降压斩波电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。 （2）掌握基本电路的数据分析、处理;描绘波形并加以判断。（3）能正确设计电路，画出电路图，分析电路原理。（4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。（5）广泛收集相关技术资料。（6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。（7）按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。（8）培养实事求是、科学严谨的工作态度和认真的工作作风。2.设计要求 （1）理论设计：了解掌握降压斩波电路的工作原理，设计降压斩波电路的主电路的工作原理，设计降压斩波电路的主电路和控制电路，包括： IGBT额定电流、电压的选择驱动电路、保护电路的设计。各元器件参数的选择。 （2）完成设计任务书的内容。目录一、引言.4二、分电路的原理及选择.5 2.1 降压斩波电路工作原理.5 2.1.1 降压斩波电路（Buck Chopper）.5 2.1.2 IGBT驱动电路选择.5 2.2 整流电路.6 2.3 斩波信号产生电路.7 2.3.1由分立元件组成的驱动电路.7 2.3.2集成驱动电路.8三、最优参数选择.10 3.1 整流电路部分.103.2斩波主电路部分.10四、生成总的电路图.12 4.1 总原理图.12 4.2 此电路的主要功能.13五、保护电路.13 5.1 整流桥电路部分.13 5.2 驱动电路部分.13六、心得体会.13七、参考文献.14 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。 一、引言 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直流变换系统结构图二、分电路的原理及选择2.1 降压斩波电路工作原理2.1.1降压斩波电路（Buck Chopper） 电路的原理图如图2所示，图2 降压斩波电路主电路 此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，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V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，如图中Em所示。 工作原理：当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。 当 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。 此电路的基本数量关系为： （1）电流连续时 负载电压的平均值为 (1-1)式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为 (1-2)（2）电流断续时，负载电压uo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： 脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton， 频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。混合型：ton和T都可调，使占空比改变。2.1.2 IGBT驱动电路选择 IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件： (1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为-2V-10V。 (4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧几十欧，小容量的IGBT 其RG值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的GE极之间不能为开路。IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。 IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用EXB841设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。本文将在斩波信号产生电路一节将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的比较，以此来说明集成驱动电路的优越性。2.2 整流电路 本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得，由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本电路要求有稳定的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压。整流电路的原理图如图3所示。图3 整流电路图输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。2.3 斩波信号产生电路 此电路主要用来驱动IGBT斩波。同其他的电力电子器件一样，由分立元件组成的IGBT驱动电路也存在着可靠性问题。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成块速度快，为了提高安全性，内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，可实现IGBT的最优驱动。下面将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的比较，以此来说明集成驱动电路的优越性。2.3.1由分立元件组成的驱动电路 如图4为由脉冲变压器组成的栅极驱动电路。其工作原理为：正向驱动信号使VT1导通，电源电压作用于脉冲变压器一次侧，二次电压经二极管VD2、VD3和门集电阻Rg后作用于IGBT，使IGBT导通。晶体管VT2由于基极反向偏置而截至。图4 由分立元件组成的驱动电路 当驱动信号为零时，VT1截止，一次励磁电流经VD1和VS迅速衰减，使在脉冲间隙期间脉冲变压器的磁通回零。变压器二次侧的反向电压经R2加到二极管VD2上。IGBT门极结电容上的电荷经Rg和VT2放掉，R2为VT2的偏流电阻。 此电路的优点：这种电路不用独立的驱动电源，驱动电路结构简单，脉冲变化时，驱动电压幅值不变，可用于各种容量的IGBT的驱动。 此电路的缺点：截止时没有门极反向电压，抗干扰能力不强。这种电路适用于驱动占空比小于50%的高频场合。2.3.2集成驱动电路（1）芯片介绍及功能原理图 EXB841芯片是单列直插式结构，如图5所示，各引脚的功能见表1。图（）中3脚为驱动的输出端，通过电阻Rg接被驱动的IGBT的栅极；4脚用于外接电容，防止电流保护电路的误动作；5脚为过电路保护电路的输出信号，低电平有效；6脚接IGBT的集电极，通过检测Uce的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大，从而进行自动保护。EXB841的功能块图如图6所示。引脚号功能引脚号功能1与用于反向偏置电源的滤波电容连接7、8悬空2电源（+20V）9电源地3驱动输出端10、11悬空4用于连接外部电容，以防止过流保护电路的误动作（绝大部分场合不需要此电路）14驱动信号输入（-）端5过流保护输出端15驱动信号输入（+）端6集电极电压输出端表1 EXB841的引脚功能表图6 EXB841的功能块图 （2）电路原理图及工作原理简介 图7示出了EXB841的电路原理图，其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三部分。隔离放大部分由光电耦合器ISO01、晶体管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9组成。光电耦合器IS01的隔离电压可达2500VAC。VT2为中间放大级，VT4和VT5组成的互补式推挽输出可为IGBT栅极提供导通和关断电压。晶体管VT1、VT3和稳压管VZ1以及阻容元件R3R8、C2C4组成过电流保护部分，实现过电流检测和延时保护。电阻R10、稳压管VZ2与电容C5构成5V基准电源，为IGBT的关断提供-5V的反偏电压，同时也为输入光耦合器IS01提供副方电源.。 电路的工作过程简述如下：当14脚与15脚间流过的电流为零时，光电耦合器截止，A点为高电平，晶体管VT1、VT2导通，D点电位下降VT4截止、VT5导通。IGBT的栅极电荷经VT5迅速放电，使3脚电位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠关断。当14脚与15脚间通过10mA电流时，光电耦合器导通，A点电位下降，VT1、VT2由导通变为截止。VT2截止导致D点电位升高，VT4导通，VT5截止。2脚电源经VT4到3脚到Rg到IGBT,驱动IGBT的栅极，使IGBT迅速导通。 当IGBT正常工作时，Uce较小，隔离二极管VD2导通，稳压管VZ1不会被击穿，VT3截止，C4被充电，使E点电位为电源电压值（20V）并保持不变。一旦发生过电流或短路，IGBT因承受大电流而退饱和，导致Uce上升，VD2截止，VZ1被击穿使VT3导通，C4经R7和VT3放电，E点及B点电位逐渐下降，VT4截止，VT5导通，使IGBT被慢慢关断从而得到保护。与此同时，5脚输出低电平，将过流保护信号输出。 使用此驱动电路时应注意以下问题： 输入电路与输出电路应分开。即输入电路（光电耦合器）接线远离输出电路接线，以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。驱动电路与IGBT栅到射极接线长度应小于1m，并使用双绞线以提高抗干扰能力。若集电极上有大的电压尖脉冲产生，可增加栅极串联电阻Rg使尖脉冲较小。Rg值的选择可参考表2所给数据。IGBT额定值600A10A15A30A50A75A100A150A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/欧姆250150825033251512825表2推荐的栅极串联电阻Rg的参考值图7 EXB841的电路原理图三、最优参数选择3.1 整流电路部分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ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL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U2的最大值，即 URM=1.414U2，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流IF(1.1IO)/20.5(U2/RL);最大反向电压UR1.12U2=1.1255=84.7V。滤波电容的选择：C=(5T/2)/RL3.2 斩波主电路部分 IGBT的选择：因为本电路设计的E=50V,因此根据表（）可知所选IGBT的额定电压与额定电流分别为50V、100A。栅极串联电阻Rg的阻值：根据IGBT的选择，由表（）可知Rg的值为25。 其他元器件的选择标准如下：对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想，按V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 （1-3） （1-4）式中， ， ， ， ，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（1-3）和式（1-4）用泰勒级数近似，可得 （1-5） 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。 （1-5）所示的关系还可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 则假设电源电流平均值为I1，则有 其值小于等于负载电流Io，由上式得 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出 当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即 输出电压平均值为 负载电流平均值为 根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。四、生成总的电路图4.1 总原理图 随着电力电子技术的发展，有源功率因数校正(APFC)技术已经能有效地抑制输入电流的谐波分量，其波形接近正弦波，并与输入电压同相位。APFC电路不仅能实现输出直流电压的斩波调节，还能实现电网一侧单位功率因数。降压斩波APFC的电路图如图8所示， 图8 总电路图4.2 此电路的主要功能 通过检测和跟踪电网电流i，实现电网电流的近似正弦化，达到电网一侧单位功率因数。通过检测和跟踪输出直流电压的波动，实时调节输出直流电压的稳定