直流斩波电路的设计.

直流斩波电路的设计

摘要：本文主要介绍的是直流斩波电路的设计，通过对直流源，控制电路，驱动电路和保护电路的设计完成整个直流斩波电路的设计。

关键词：直流斩波；控制；驱动；保护

引言

直流斩波器(DC Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC/DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts（周期）不变，改变Ton （通用，Ton为开关每次接通的时间），二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts （易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

降压斩波器（Buck Chopper电路），其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同。

升压斩波器（Boost Chopper电路），其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同

降压或升压斩波器（Buck-Boost Chopper电路）

降压或升压斩波器（Cuk Chopper电路）

Sepic斩波电路

Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。

复合斩波电路——不同基本斩波电路组合

多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合

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，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子

领域的一大热点。

用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压

的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。当

今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI 软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密

度为(6、2、10、17)W/cm^3，效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推

出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为

(200-300)kHz，功率密度已达到27W/cm^3，采用同步整流器(MOS-FET代替肖特

基二极管)，是整个电路效率提高到90%。

1 课程设计的目的

熟悉降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握两种基本斩波电路的

工作状态，了解电路图的波形情况

2 课程设计的任务与要求

2.1 设计任务

根据给出的技术要求，确定总体设计方案选择具体的元件，进行硬件系统

的设计，进行相应的电路设计，完成相应的功能进行调试与修改，撰写课程设

计说明书。

2.2 设计要求

斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。IGBT的驱动电路的设计，这一部分电路可以用单片机和硬件电路相结合来实现，也可以用专用芯片TL494结合其它硬件电路来实现。IGBT驱动电路的设计可借助仿真软件ORCAD来进行。稳压电源，电机均由实验室提供。

3 设计内容

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。主要包括：压斩波电路的设计，压斩波电路的设计，流供电电源，控制和驱动电路。

3.1 设计方案选定与说明

由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。IGBT的通断用PWM控制，用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。降压斩波主电路原理图如图1.1所示：

图1.1 降压斩波主电路的原理图

接通控制电路电源，用示波器分别观察锯齿波和PWM信号的波形（实验装置应给出测量端，位置在图中已标出），记录其波形、频率和幅值。调节Ur的大小，观察PWM信号的变化情况。

斩波电路的输入直流电压ui由低压单相交流电源经单相桥式二极管整流及电感电容滤波后得到。接通交流电源，观察ui波形，记录其平均值。斩波电路的主电路包括降压斩波电路和升压斩波电路两种，电路中使用的器件为电力MOSFET，注意观察其型号、外形等。

切断各处电源，将直流电源ui与升压斩波主电路连接，断开降压斩波主电路。检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。改变ur值，每改变一次ur，分别观测PWM信号的波形、电力MOSFET V的栅源电压波形、输出电压uo 的波形、输出电流io的波形，记录的PWM信号占空比a，ui、uo的平均值Ui 和。

3.2 主电路的设计

3.2.1 降压斩波电路工作原理

t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。降压斩波电路原理图如图1.2所示：

负载电流平均值：

3.2.3升压斩波电路工作原理

假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

图1.3升压斩波电路原理图

3.2.4 参数选择

设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T 中L积蓄能量与释放能量相等：

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路

T/toff---升压比；升压比的倒数记作β，即β=toff/T