直流斩波电路课程设计

直流斩波电路课程设计

目录

第一章方案的选择和电路的整体结构 (1)

1.1 方案的选择 (1)

1.2 电路的整体结构 (2)

第二章主电路的设计 (3)

2.1 主电路的原理 (3)

第三章驱动电路的设计 (4)

3.1 驱动芯片的选择 (4)

3.2 驱动芯片的介绍 (5)

3.3 驱动电路的设计 (6)

第四章控制电路的设计 (6)

4.1 控制电路的设计原理 (6)

4.2控制电路原理图 (7)

第五章保护电路的设计 (8)

5.1 IGBT的栅极保护 (8)

5.2 IGBT的集电极和发射极的保护 (9)

5.3 IGBT的过热保护 (10)

第六章结论 (10)

心得体会 (11)

附录：ATMEGA16设计源程序 (12)

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，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，从而实现输出电圧的可调。

设计电路整体结构如图1-1

保护电路

控制电路驱动电路主电路

图1-1 电路的整体结构框图

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

L

VD

R

V

E

IGBT

图2-1 降压斩波电

路

如图，IGBT 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。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：

on on o on off t t

U =

E=E=E t +t T

其中on t 为IGBT 的导通时间，off t 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

i G t

t

T

i G

t on t off

i o

i 1i 2I 10I 20t 1

u o

a)

b)

O O T E

E

i G t on

t off

i o

t

x

i 1

i 2

I 20

t 1t 2

u o

图2-2 降压斩波电

路的工作波形图

第三章 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IGBT 允许时间内通过逐渐降