电力电子-降压斩波电路设计..教学总结

1.引言

随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。

开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路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。

IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

2.方案确定

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

图1降压斩波电路结构框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

3. 主电路设计

3.1 主电路方案

根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT 控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

3.2 工作原理

根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2所示：

图2 主电路图

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0u =E ，负载电流0i 按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3所示：

图3 降压电路波形图

t

O O O E O t t t

E M i G t t T i G t on t off i o i 1i 2I 10I 20t 1u o a)b)O O T E E i t on t off i o t x i 1i 2I 20t 1t 2u o

当1t t =时刻，控制IGBT 关断，负载电流经二极管D V 续流，负载电压0u 近似为零，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

i i i t t U U U U t t T

α===+on on o on off on t 为IGBT 处于通态的时间；off t 为处于断态的时间；T 为开关周期；α为导通占空比。 通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值Uo 最大为E ，若减小占空比α，则Uo 随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i ，若减小占空比α，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

3.3参数分析

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100V 。

(2)电阻 因为当输出电压为50-80V 时，假设输出电流为0.1-5A 。所以由欧姆定律

可得负载电阻值为Ω-80010，所以取电阻20欧姆。

(3)IGBT 由图3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100V ；而当α=1时，IGBT 有最大电流，其值为5A 。故需选择集电极最大连续电流c I =A 10，反向击穿电压V B vceo 200=的IGBT ，而一般的IGBT 都满足要求。

(4)二极管 其承受最大反压100V ，其承受最大电流趋近于5A ，考虑2倍裕量，故需选择V U N 200≥，A I N 10≥的二极管。

(5)电感 由上面所选的电阻20欧姆，根据欧姆定律： 当Uo=80V 时，Iomax=4A;

当Uo=50V 时，Iomin=2.5A;

根据电感电流连续时电感量临界值条件：L=Uo*（Ud-Uo ）/(2UdIo)

为了保证负载最小电流电路能够连续，取Io=2.5A 来算，可得L=0.125mH ，所以只要所取电感L>0.125mH ，取L=1mH 。

（6）开关频率 f=40kHz

（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：

Ud LCf Uo Ud Uo Uc 28/)(*-=∆

可得 LC >= 0.195 uH*F

取C=0.47mF

o 0

I U R =o 0

I U R =