直流升降压斩波电路的设计

摘要

20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。

利用全控型器件可以组成变流器。直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。直流—直流变流电路（DC-DC Converter）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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），它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。本文着重介绍升降压斩波电路的原理和基于matlab的simulink的升降压斩波电路的仿真以及用一种芯片的方法实现升降压斩波。

关键词:直流—直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真

目录

1 绪论 (1)

1.1电力电子技术的概况 (1)

1.2电力电子技术的发展 (1)

1.3电力电子技术的重要应用 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1设计要求 (3)

2.2升降压斩波电路整体设计方案 (3)

2.3方案确定 (3)

3 主电路设计 (4)

3.1主电路原理 (4)

3.2波形图 (5)

3.3主要元器件选择 (6)

4 控制与驱动电路设计 (7)

4.1控制电路设计 (7)

4.2驱动电路设计 (8)

5 保护电路设计 (9)

5.1过电流保护 (9)

5.2过电压保护 (9)

6 仿真分析 (10)

6.1仿真软件介绍 (10)

6.2建立仿真模型 (10)

6.3仿真结果分析 (12)

结束语 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

附录 (18)

1绪论

1.1电力电子技术的内容

电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

在电力电子技术中, 将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换, 称为直流-直流变换。直流变换电路的用途非常广泛, 包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正, 以及用于其他领域的交直流电源。

1.2 电力电子技术的发展

电力电子技术包括功率半导体器件、功率变换技术及控制技术等几个方面。其中电力电子器件是电力电子技术的核心和基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1957年美国通用电气公司（GE）研制出世界上第一只工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器（如水银整流器）进入由电力电子器件构成的静止式半导体变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。

我国电力电子的起步可追溯到上世纪50年代末。50年代末研制出第一只整流管，60年代初研制出第一只晶闸管和晶体管。

经过近二十年的工艺完善和应用开发，到上世纪70年代，普通晶闸管（不能自关断，属于半控型器件）已趋于成熟，形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。

上世纪70年代后期，以门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）、功率场效应管（PowerMOSFET）为代表的全控型器件（通过对门极（栅极）或基极的控制，可以使其开通，又可以使其关断）全速发展。上世纪80年代后期，以绝缘栅双极晶体管IGBT和功率MOSFET为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的相继问世，是传统电力电子向现代电力电子转化的标志。

1.3电力电子技术的重要作用

优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。

改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

2总体方案设计

2.1设计要求

设计一个直流升降压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在100～300V连续可调，其它性能指标自定。

2.2升降压直流斩波电路总体设计方案

直流斩波电路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。它在电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。电路的结构框图如图1所示。

直流

图 1 总体设计方案

除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。

2.3方案的确定

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。

控制电路是用来产生升、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升、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。