直流斩波电路课程设计

1、直流斩波电路课程设计目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 第一章方案的选择和电路的整体结构1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 11方案的选择1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 12电路的整体结构2 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 第二章主电路的设计3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 21主电路的原理3 HYPERL

2、INK l bookmark27 o Current Document 第三章驱动电路的设计4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1驱动芯片的选择4 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 3.2驱动芯片的介绍5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.3驱动电路的设计6 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 第四章控制电路的设计6 HYPERLINK l bookmark61 o Current Doc

3、ument 4.1控制电路的设计原理6 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 4.2控制电路原理图7 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 第五章保护电路的设计8 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 51IGBT的栅极保护8 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 52IGBT的集电极和发射极的保护9 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 53IGBT的过热保护10

4、HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 第六章结论10 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 心得体会11 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 附录：ATMEGA16设计源程序 12 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 参考文献14第一章 方案的选择和电路的整体结构1.1方案的选择1.1.1主电路的选择本次设计的内容是直流可调电源，目的是实现输出电源的可调节，有以下 两种主电路的方案，现对这两种方案进行分析比

5、较。方案一：桥式全控整流电路桥式全控直流电路采用四个晶闸管桥式连接，通过控制晶闸管的导通时间 使得输出的平均电压降低，实现电压可调。优点：可以直接用市电进行整流调节。缺点：晶闸管属于半控器件，控制不灵活。输出电压不稳定，有波动。输 入端与输出端进行隔离。方案二：直流斩波电路直流斩波电路属于DC-DC变换电路，通过控制电力电子器件IGBT或MOSFET 的通断时间来实现电压大小的可调节。缺点：不能直接用市电进行设计，需要有恒定的直流电源。优点：输入端与输出端不用进行隔离，IGBT和MOSFET为全控器件，可以随 意的控制其开通或者关断，并且电路结构简单，容易实现。综上所述，本次设计采用直流斩波电

6、路为设计主电路，并且使用IGBT作为 开关器件。1.1.2控制电路的选择控制电路的功能是控制电力电子器件IGBT的通断，现有两种主电路的设计 方案，现进行比较分析。方案一：采用UC3842芯片UC3842是一种PWM发生芯片，是一种高性能的固定频率电流型控制器，单 端输出单端输出单端输出单端输出可直接驱动可直接驱动可直接驱动可直接驱 动 IGBT。方案二：采用ATMEGA16单片机ATMEGA16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，具有 丰富的片内资源，能发出独立的PWM信号，通过改变寄存器的值来改变输出PWM 的占空比。因为本次设计打算设定4个输出档位，分别为3V，

7、5V，10V，15V，而且采 用ATMEGA16单片机可以使用其剩余引脚进行电路的其他控制，例如显示输出电 压幅值等。综上所述，本次设计采用ATMEGA16单片机为控制电路的CPU。1.2电路的整体结构本次设计直流可调电源主要依据直流斩波电路（Buck电路）的原理，利用AVR单片机控制其开关器件的导通时间，从而实现输出电压的可调。设计电路整体结构如图1-1图1-1电路的整体结构框第二章主电路的设计2.1主电路的原理本次设计的主电路为降压斩波电路（Buck）,其原理图如下图所示 TOC o 1-5 h z 厂二 jR堂一 1 V/-1LIGBTE- VD EmI图2-1降压斩波电路如图，IGBT

8、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o 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由控制信号的占空比来决 定。输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：U =eeE=LnE= E0 ton+toffT其中ton为IGBT的导通时间，toff为IGBT的关断时间，为控制信号的占空比。如图2-2所示降压斩波电路的电压不连续图2-2降压斩波电路的工作波形图第三章

9、驱动电路的设计3.1驱动芯片的选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。 因此需要将信号放大的电路。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。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：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。否 则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件 不会被损坏。2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压 比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限

10、幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土 20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在】GBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随 输入信号的消失而受到影响。根据以上几点要求，本次设计采用TPL250为IGBT的驱动芯片。3.2驱动芯片的介绍TLP250是日本东芝生产的8引脚光耦合器，适用于晶体逆变器，变频空调Conditioner，IGBT栅极驱动器，功率场效应晶体管的栅极驱动等。主要参数如下:输入阈值电流供电电压输入阈值电流供电电压输出电流开关时间5mA (max)10-35V1

11、.5A (max)1.5us (max)如图3-1所示，TPL250的输入和输出通过光耦安全的隔离开来，避免输出 侧的波动对控制电路的影响。并且通过放大器和三极管将输入的信号放大，使 其幅值达到能够驱动IGBT的要求。实际应用中，将来自控制电路的输入信号由2、3引脚输入，6、7引脚输出 两路相同的放大后的控制信号。8引脚接VCC，5引脚接GND: N C.: Anode: Cathode; NC: GND: Vq (Output)7： Vo8 ; VCC3-1 TLP250引脚图3.3驱动电路的设计根据3.2节可得本次设计的驱动电路如图3-2所示PWM产生PL_X_PWM产生PL_X_8_-7

12、-TLP250 _g_-3 +i接IGBT栅极15V图3-2驱动电路其中3引脚与PWM产生装置的地相连接第四章控制电路的设计IGBT为电压驱动型开关器件，为了很好的控制其通断，本次设计采用 ATMEGA16单片机发出PWM信号，通过两个独立按键控制PWM的占空比，从而使 输出电压能够人为的调节。4.1控制电路的设计原理ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。具有 两个16位定时器和计数器，通过配置控制寄存器TCCR1A和TCCR1B使PD5和PD4 发出两路独立的PWM。本次设计通过两个按键S1, S2，调节AVR单片机输出PWM的占空比，一共 设计了四个

13、档位，分别为3V，5V，10V和15V，对应四个指示灯L1，L2, L3, L4。根据 U根据 U = L E=Le= Eo L% TE=20V可得，四个档位对应的PWM占空比分别为 15%，25%，50%和 75%。4.2控制电路原理图控制电路原理图如图4-1 所示C1Vcc言II l 8MVccC2PA2PA3S2S1VccRESETS3C1Vcc言II l 8MVccC2PA2PA3S2S1VccRESETS3ATMEGA16PWM输出PD4图4-1控制电路原理图AVR单片机外接8MHZ的晶体振荡器，PD4输出PWM接驱动电路TLP250的2 引脚，3引脚和单片机的GND相连。灯 L1，

14、L2, L3，L4 分别接 PB0，PB1，PB2，PB3。第五章保护电路的设计IGBT的栅极保护一般的IGBT的栅极驱动电压Vge的保证值为20V，如果在它的栅极与发 射极之间加上超过保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电 路中应设置栅极电压的限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电 压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存 在，使得栅极电位升高，集电极一发射极有电流流过，这时若集电极和发射极 间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程 中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下

15、给主电路加上电压，则IGBT就可能 会损坏。为防止此类情况发生，应在的栅极与发射极间并接一只几十千欧的电 阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射。如图5-1所示。图5-1 IGBT的栅极保护电路IGBT的集电极和发射极的保护一般情况下，对IGBT的集电极和发射极进行保护主要考虑的是其过电压问 题。过电压的产生一般有两种情况：1.施加到IGBT集电极一发射极的直流电压过高。2.IGBT集电极一发射极上的浪涌电压过高。本次设计采用RC缓冲电路对以上两种IGBT过压情况进行保护。保护电路 图如图5-2所示。图5-2 RC缓冲电路IGBT的过热保护一般情况下，流过IGBT的电流比较大，开关频率较高，故而器件的

16、损耗也 比较大，如果热量不能及时的散掉，使得器件的结温超高额定值则可能使IGBT 损坏。为了能够让IGBT良好的散热，保证其结温在额定温度内，本次设计在IGBT 后面加上金属散热架，加强了 IGBT的散热。第六章结论本次设计可调电源符合设计要求，达到了预期的3V，5V，10V，15V，四个 档位，通过按按键S1，S2,观察L1，L2, L3, L4的亮灭情况来确定电源的档位， 实现了输出电压幅值的可调。但本次设计仍有不足，没有考虑到IGBT集电极的过流保护和负载过流保护 问题，在以后的学习和生活中还需要继续学习，弥补本次设计的缺陷。心得体会通过本次课程设计，让我对直流斩波电路有了更进一步的理解

17、，并且学会 了 IGBT的驱动电路和保护电路的设计，在设计过程中使用了之前学习过的AVR 单片机进行PWM信号的控制，得到了知识整体运用的机会，让我收获了自信， 更爱去学习新东西。在课程设计过程中通过和同学的交流学会了很多新知识，对画图软件的使用也灵活熟练了很多，很感谢这次课程设计让我的能力和知识层面得到了很好 的提升。附录：ATMEGA16设计源程序#include #define BIT(b) (1b)void delay (unsigned int x)(unsigned int y,z;for (y=0;y0;z-);int main(void)(DDRD|=0 x30;TCCR1A=0X63;TCCR1B=0X19;OCR1A=1024;OCR1B=153;int n=0;while (1)if (PINA&0 x02)=0)(delay(10);n=n+1;if (n3) n=0;if (PINA&0 x04)=0)delay(10);n=n-1;if (n0) n