电力电子课程设计

亮度可连续调节直流斩波电路设计

1概论

电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。

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）。直流斩波电路一般指的是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，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，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

上述其中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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。

这里将进行对直流降压斩波电路的设计，且其输出电压可连续可调。

2设计要求及设计方案

2.1设计要求

1、采用不控整流进行AC/DC转换；

2、负载（灯泡）要求0~100V直流电压，最大负载电流3A；

3、确定变压器的容量和参数；

4、设计主电路，选择主电路的参数；

5、确定输入电源的功率因数。

2.2设计方案

根据要求设计，先进行降压处理，降压到100V的三相交流电，频率50HZ，然后采用桥式不控整流，将交流变为直流，通过滤波处理。负载灯泡要求0~100V直流电压，这里主电路采用直流降压斩波电路，通过芯片SG3525组成电路产生脉冲波来控制直流斩波电路的全控型器件IGBT，使脉冲占空比从%0~%50变化来控制输出，进而来控制直流电压是连续变化，通过输出来进行参数计算来确定电路中元件的参数。

下图是设计原理方框图：

三相交流变压

不控

整流

滤波

处理

三相交流直流

直流

斩波处理

直流输出

图2-1 设计原理图

3电路设计

总体的电路的设计主要包括整流电路、直流降压斩波电路和控制电路的设计。

3.1整流电路

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器，整流主电路和滤波器等组成，其原理图如下图所示。

图3-1 整流电路

习惯将其中阴极连接在一起的3个二极管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管称为共阳极组。此电路为不可控整流电路，假设将电路中的二极管换作晶闸管，这种情况也就相当于晶闸管触发角o0

α时的情况。此时，对于共阴极组的3个二极管，阳极所

=

接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二级管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3-2所示。

图3-2 电路工作图形

将二极管换成晶闸管，相当于o0

α，此时各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中

=

变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波

形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组二极管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的二极管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的二极管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线，其中输出电压Ud的平均值为：2

.2

Ud U

34

U=

=α。

34

.2

cos

2

3.2直流降压斩波电路

降压斩波电路的原理图以及工作波形如图3-2所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。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，后两种情况负载中均会出现反电动势，如图

E所示。若负载中无反电动势时，只需令m E=0即可，以

m

下的分析及表达式均可适用。

图3-3 直流降压斩波电路

（1）工作原理

如图3-3中V的栅极电压u GE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u o=E，负载电流i o按指数上升。

当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u o近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。

至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。