基于单片机的直流斩波电路的设计说明

基于单片机的直流斩波电路的设计

本文介绍了基于单片机的直流斩波电路的基本方法，直流斩波电路的相关知识以及用单片机产生ＰＷＭ波的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS 一51单片机的用软件产生PWM 信号以及信号占空比调节的方法。对于实现直流斩波提供了一种有效的途径。本次设计中以直流降压斩波电路为例。

关键词：单片机最小系统； PWM ；直流斩波：

直流降压斩波电路的原理

斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种

情况下负载中均会出现反电动势，如图3-1中Em 所示 工作原理，两个阶段

t=0时V 导通，E 向负载供电，uo=E ，io 按指数曲线上升

t=t1时V 关断，io 经VD 续流，uo 近似为零，io 呈指数曲线下降

为使io 连续且脉动小，通常使L 值较大

数量关系

电流连续时，负载电压平均值

E E T t E t t t U on off on on o α==+=

a ——导通占空比，简称占空比或导通比

Uo 最大为E ，减小a ，Uo 随之减小——降压斩波电路。也称为Buck 变换器（Buck Converter ）。

负载电流平均值

R E U I m o o -= （3-2）

电流断续时，uo 平均值会被抬高，一般不希望出现

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t on ，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。

其原理图为：

图3-1降压斩波电路的原理图及波形

a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形

驱动电路更加复杂。

设计方案：

用单片机为控制核心，以电力电子器件ＩＧＢＴ为主电路关键器件，完成直流斩波器的电路设计，包括控制程序设计、电力电子器件驱动、信号隔离及其它的一些保护部分。

指标要求：输入电压要求：ＡＣ220Ｖ50Ｈz

输出电压为0——180Ｖ输出功率：1ＫＷ

设计框图

本设计总体框图如图所示，系统分为五部分：主电路、控制电路、集中隔离与驱动电路等。主电路即直流斩波电路，这个电路把输入的220Ｖ电压变为0到180Ｖ的输出电压：控制电路实现变换控制器的实时控制，综合给定和反馈信号，微控制器处理后为斩波开关器件提供开通、判断信号和保护功能；信号隔离驱动电路完成信号的隔离和为斩波开关器件提供驱动信号；采集电压信号，输出电压模拟量，通过ＡＤ转换器转换成微控制吕能处理的数字量；电流保护电路防止系统过电流而损坏器件；低压电源电路为系统提供稳定的工伯电压；续流电路的作用为：当斩波开关关断时，电路中电流能连续流过负载。

主电路形式与控制算法

根据设计任务的要求：主电路输入电压为220Ｖ，输出电压为180Ｖ最大，所以采用降压斩波电路。

降压直流斩波电路可以分为隔离型降压直流斩波电路和非隔离型降压直流斩波电路。隔离型降压直流斩波电路的能量输出是由高频变压器耦合完成的，该变压器可以使斩波的输入电源与负载之间实现电气隔离；非隔离型降压直流斩波电路在工作期间输入源和输出共用一个共同的电流通路。根据设计任务的要求，本设计选择隔离型ＤＣ－ＤＣ斩波器。

系统的控制核心为微控制器，由于控制新芯片的指令执行速度是一定的，其输出脉冲最小宽度受到限制，因此在控制算法——调整占空比的实施中拟采用保持脉冲宽度不变，而调整脉冲周期的做法。即斩波开关的关断时间不变，当根据输入电压的要求而相应的改变导通时间，这样同样可以得到通过电压而控制占空比的要求。

ＩＧＢＴ的特性：

作为主电路的关键器件，ＩＧＢＴ的特性对于电路的工作有重要的影响。

主电路工作原理与原理图：

主电路如图所示，控制电路产生开关信号控制斩波开关ＩＧＢＴ导通与关断，电感电容起到低通虑波的作用，在斩波开关Ｖ关断期间由二极管完成续流。在实际工作时，当单片机产生的ＰＷＭ脉冲使Ｖ导通后，电容开始充电，输出电压回到负载两端。在电容充电过程中，电感的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管因反向偏而关断，经过开通时间后，当控制信号使ＩＧＢＴ关断时，在Ｌ两端产生的感应电势使二极管导通，Ｌ储存的能量便通续流二极管完成续流，同时将能量供给负载，经过关断时间，控制脉冲又使ＩＧＢＴ导通，上述过程重复发生。

设计主电路的参数与选型

斩波开关ＩＧＢＴ参数的计算与选型：

根据要求输入的220Ｖ交流电，经三相不可控整流后输出的电压为514Ｖ，为了安全器件留有一定的裕量，所以选择ＩＧＢＴ的额定工作电压为正常工作电压峰的2－3倍，即额定电压为ＶＥ＝1000Ｖ，根据功率为1000Ｗ，Ｖmax为180Ｖ，最大输出电流为5.5Ａ，选择ＩＧＢＴ额定电流大于其即可。经查询相关的数据，选择西门子的ＢＳＭ25ＧＢ120ＤＮ2型ＩＧＢＴ，其最大工作电流为25Ａ，额定工作电压为1200Ｖ，这样器件的安全系数就大。

电感Ｌ的计算:

主电路中的Ｌ的作用就是为虑波、能量转换与减小电流变换率的作用，直流斩波电路输入电压最大值为500Ｖ，输出最大为180Ｖ，ＩＧＢＴ开通时间为

512us，由以上数据可得最大开关周期＝512/0.35＝1.5ms ，又因为电阻Ｒ为180/5.5＝33欧，根据算行得Ｌ>50mh，所以取Ｌ为50mH.

电容Ｃ的计算:

电容Ｃ2是虑波电容，它可以使输出电压稳定，通常设计时是按负载的情况来选择电容的大小，使，由上面可知Ｒ＝33欧，Ｔ＝1.5ms，算得Ｃ＝25uf，为使虑波效果更好，我们取Ｃ2＝1000uf。

二极管Ｄ的计算:

Ｄ的作用是在ＩＧＢＴ判断时起到续流的作用，迅速的释放电感Ｌ中存储的能量，防止因电感Ｌ的能量无法释放而感应出高电压而击穿开关器件。主电路的输入电压为514Ｖ，当ＩＧＢＴ导通时Ｄ承受的反向电压即为514Ｖ，为保留一定的裕度，我们取Ｄ的反向电压为1.5*514Ｖ＝700Ｖ，当ＩＧＢＴ判断期间，Ｌ的续流大小为5.5Ａ，可选择型号为ＨＦＡ15ＴＢ60的快速恢复二极管。

控制电路的组成与功能:

控制电路如下图所示，控制电路由单片机与ＡＤ转换器加外围电路组成。控制电路实现变换器的实时控制，综合给定，经处理后为开关器件提供开通、判断信号与保护信号，控制电路实现实时控制，产生ＰＷＭ信号。控制选用单片机与电钟信号电路与复位电路、报警电路。电钟电路与复位电路电单片机系统的必要组成，控制单片机的机器周期与功能复位。由单片机的一个输出位品输出占空比可调的俯冲信号，经三极管进行俯冲放大，用脉冲变压器进行电气隔离，进而控制ＩＧＢＴ的与判断。

控制电路的核心——ＡＤＣ转换单片机系统:

由于系统电路工作于高速开关状态，电力电子器件工作于强脉冲电流，电磁干扰严重，因此微处理器选型从如下方面考虑：满足功能要求；满足抗干扰要求；满足速度要求；良好的性价比。单片微机系统作为自动控制装置的核心，具有功