1、 电力电子课程设计说明书DC/DC 变换器的设计系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 柳 一 文 指导教师： 桂 友 超 专 业： 自 动 化 班 级： 0 8 0 3 班 完成时间： 2012 年 6 月 13 日 1前 言直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter） 。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，DC-DC 变换器包括以上两种情况。直流斩波电路的种类较多，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
2、电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，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
3、子设备的主导器件。所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为 IGBT 的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。2目 录1 设计要求与方案32 直流电源设计32.1 设计原理 32.2 参数计算43 降压斩波主电路设计53.1 BUCK 电路工作原理53.2 主电路参数分析64 控制电路原理与设计64.1 控制电路方案选择74.2 控制电路工作原理85 驱动电路原理与设计85.1 驱动电路方案选择85.2 驱动电路分析设计86 保护电路原理与设计96.1 过电压保护96.2 过电流保护11设计心得12参考文献12致 谢12附 录1331.设
4、计要求与方案设计要求是输出电压 Uo=50V-200V 可调的 DC/DC 变换器，这里为降压斩波电路。由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。IGBT 的通断用 PWM 控制，用 PWM 方式来控制 IGBT 的通断需要使用脉宽调制器 SG3525 来产生 PWM 控制信号。降压斩波主电路原理图如图 1.1 所示：图 1.1 降压斩波主电路的原理图2.直流电源设计2.1 设计原理小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图如图 2.1 所示，其各电压波形如图 2.2 所示：图2.1 直流电源原理框图4图 2.2 直流电源波形图
5、电源变压器的作用是将来自电网的 220V 交流电压 变换为整流电路所需1U要的交流电压 。电源变压器的效率为： ，其中： 是变压器副2U12P2边的功率， 是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表 2.1 所示：1P表2.1 小型变压器效率因此，当算出了副边功率 后，就可以根据上表算出原边功率 。2P1P在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压 变换成脉动的直流电压 。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉2U3U动直流电压 中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 。 与3 IUI交流电压 的有效值的关系为： ；在整流电路中，每只二极2 2).1(I管
6、所承受的最大反向电压为： ；流过每只二极管的平均电流为：2RM2.1ID45.02.2 参数计算根据滤波电路的输出电压 UI，确定电源变压器副边电压 的有效值 ；根2u2U据滤波电路的最大输出电流 ，确定流过电源变压器副边的电流 和电源变maxoI I压器副边的功率 ；根据 ，从表 2.1 查出变压器的效率 ，从而确定电源2P2变压器原边的功率 。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。1确定整流二极管的正向平均电流 ID、整流二极管的最大反向电压 和滤RM波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。依据上述设计步骤，对本次课程的直流电源进行设计，输出电压为 。VU201
7、最大输出电流假设为 1A,则由 可知：2).1(UI52.2VU1862变压器副边电流： AIIo5.,max2取因此，变压器副边输出功率： 。WP22由于变压器的效率 ，变压器原边输入功率 ，所以选用85.0功率为 300W 的变压器。再选用整流二极管和滤波电容，由于： ，VURM253182。IN4004 的反向击穿电压 ，额定工作电流AI1max0 53，故整流二极管选用 IN4004。由于电路对纹波无要求，而电容的ax0ID耐压要大于 ，故滤波电容 C 取容量为 500F，耐压为 300V 的电解VU253电容。3.降压斩波主电路设计3.1 BUCK 电路工作原理图3.1 BUCK电路
8、图直流降压斩波主电路使用一个全控器件 IGBT 控制导通。用控制电路和驱动电路来控制 IGBT 的通断，当 t=0 时，驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 =E，负载电流 按指数曲线上升。电路工作时波形图如图 3.2 所示：0u0iP216图 3.2 电流持续时波形图当 时刻，控制 IGBT 关断，负载电流经二极管 续流，负载电压 近1t DV0u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3.1EU
9、0为 IGBT 处于通态的时间； 为处于断态的时间；T 为开关周期； 为导ont oft通占空比。通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 最大为 E，若减小占空0比 ，则 随之减小。此电路采用 PWM 方式控制 IGBT 的通断。0U3.2 主电路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 200V。其直流稳压电源模块前面已完成，以该直流稳压电源作为系统电源。(2)电阻 因为当输出电压为 200V 时，假设输出电流为 0.1-1A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 ，可得到电路电阻应该在 。20(3)IGB
10、T 由图 3.1 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 200V；而当 =1 时，IGBT 有最大电流，其值为1A。故需选择集电极最大连续电流 ，反向击穿电压 的cIA1VBvceo20IGBT。而一般的 IGBT 都满足要求。(4)二极管 当 =1 时，其承受最大反压 200V；而当 趋近于 1 时，其承受最大电流趋近于 1A，故需选择 ， 的二极管。VUN20IN1(5)电感 选择大电感 L(为 700mL)。4.控制电路原理与设计4.1控制电路方案选择dMIEUR07IGBT 控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反
11、应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。图 4.1 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 4.1 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，内部
12、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 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，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 分别为芯片内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控制电路工作原理由于
13、SG3525 的振荡频率可表示为 ：4.1)37.0(1dttRCf式中: , 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻； 是与脚 7 相tCtR dR连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为 50kHz，所以由上式可取 =1F, tC= , = 。可得 f=49.02kHz，基本满足要求。t12d48图 4.2控制电路部分电路图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，如图 4.2 所示。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
14、，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。5.驱动电路原理与设计5.1驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使 IGBT 可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使 IGBT 能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：采用光电耦合式驱动电路，
15、该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有 1s 的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，所以选择此方案。95.2驱动电路分析与设计针对以上分析，我选取了 EXB841 驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。如图 5.1 所示，其工作电源为独立电源 201V，内部含有-5V 稳压电路，为
16、ICBT 的栅极提供+15V 的驱动电压，关断时提供-5V 的偏置电压，使其可靠关断。当脚 15 和脚 14 有 10mA 电流通过时，脚 3 输出高电平而使 IGBT 导通；而当脚 15 和脚 14 无电流通过时，脚 3 输出低电平使 ICBT 关断；若 ICBT 导通时，若承受短路电流，则其电压 随电流的增大迅速上升，脚 6 悬空，脚 3 电ceV位开始下降，从而逐渐关断 ICBT。图 5.1 EXB841内部结构图利用 EXB841 驱动芯片设计其驱动电路原理图如图 5.2 所示，两个 47uf 电容用于吸收噪音，在脚 3 输出脉冲的同时，通过快速二极管 VD1 检测 IGBT 的CE 间的电压。当 Vce7V 时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚 3 输出电平降为 O。因 EXB841 无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦 TLP521 将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图 4.2 与图 5.2 联系起来即可得到电路的控制驱动部分。
