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直流降压斩波电路的设计

摘要: 本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。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。

关键词:降压斩波，主电路、控制电路、驱动及保护电路。

引言：直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子领域的一大热点。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。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。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式，频率调制方式和混合型。脉宽调制方式较为通用。当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI

软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达

27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

1设计目的

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）。直流斩波电路一般是指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，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。

2 设计任务与要求

2.1 设计任务

要求设计降压斩波电路的主电路、控制电路、驱动及保护电路，稳压直流电源15V和直流电压100V的设计

2.2 设计要求

对Buck降压电路的基本要求有以下几点：

1.输入直流电压：U d=100V

2.开关频率40KHz

3.输出电压范围50V~80V

4.输出电压纹波：小于1%

5.最大输出电流：5A（在额定负载下）

6.具有过流保护功能，动作电流：6A

7.具有稳压功能

8.效率不低于70%

3 设计内容

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 电路框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT 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IGBT 控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT 的开通和关断来控制IGBT 降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。

3.1 设计方案的选定与说明

3.2 降压斩波电路 3.2.1 降压斩波电路原理

R

E U I E

E T

t

t t E t U M

on off on on -=

==+=000α

式中on t 为V 处于通态的时间；off t 为V 处于断态的时间；T 为开关周期； 为导通占空比，简称占空比或导通比。降压斩波电路的占空比小于1。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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on t 不变，称为PWM 。 2） 保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型。 3） on t 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型

但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT 的通断。

i E M

3.3 降压斩波电路主电路设计

3.3.1 BUCK降压斩波主电路

在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，U。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了总是小于输入电压

d

给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

图2 降压斩波主电路图

3.3.2主电路元器件参数选择

主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明：

(1) 对于电源，因为题目要求输入直流电压为100V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。

(2)IGBT 由图2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 >5A ，反向击穿电压B vceo >100v 的IGBT 。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流c I 》10A ，反向击穿电压vceo B 》200V 的IGBT 。

(3)二极管 当α=1时，其承受最大反压100V ；而当α趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A ，故需选择Vc >100v,I >5A 的二极管。考虑2倍的安全裕量：

min U =21u X =200V m in I =1x It =2x5=10A

(4)电感 选择大电感L ，使得电路能够续流，此时的临界电感为：

L =0U （d U —o U ）/2f d U I 。设输出电压为80V ， 则L =80x （100—80）/2x1000x40x100x5=0.04mH

所以电感L >=0.04mH ，取L =0.1mH 。

(5) 电容 选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为80V 时来算

C =0U （d U —o U ）/8L Δc U ff d U

=80x （100—80）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF 这里取C =13uF 。

(6)电阻R l 因为输出电压为50V —80V 时，而输出的最大电流为5A 。所以由欧姆定律R=U/I 可得负载电阻值为最小取值在10Ω。

3.4 降压斩波电路控制电路的设计 3.

4.1控制电路及器件选择

3.4.1.1 因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWM 控制技术应用最为广泛，所以

采用PWM 控制方式来控制IGBT 的通断。 3.4.1.2 SG3525芯片

它是一款专用的PWM 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精