降压直流斩波电路实验装置设计

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）题目：降压直流斩波电路实验装置

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：电气

目录

第1章绪论 (4)

1.1 降压直流斩波电路的基本概念 (5)

1.2 降压直流斩波电路的发展 (5)

第2章降压直流斩波斩波电路设计

2.1 降压斩波电路工作原理 (7)

2.1.1降压斩波电路（Buck Chopper） (7)

2.1.2 IGBT驱动电路选择 (8)

2.2 整流电路 (8)

2.3 斩波信号产生电路 (9)

2.3.1由分立元件组成的驱动电路 (9)

2.3.2集成驱动电路 (10)

（2）电路原理图及工作原理简介 (11)

2.4 最优参数选择 (13)

2.4.1 整流电路部分 (13)

2.4.2 斩波主电路部分 (13)

2.5 生成总的电路图 (15)

2.5.1 总原理图 (15)

2.5.2 此电路的主要功能 (16)

2.6 保护电路 (16)

2.6.1 整流桥电路部分 (16)

2.6.2 驱动电路部分 (17)

第3章课程设计总结 (18)

参考文献 (18)

摘要

直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路 . 直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。

TDC-1型学习机是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的“电力电子”或“半导体变流技术”等课程中的直流斩波电路实验并根据当今电力电子技术的发展方向及应用而设计的新型实验装置。该学习机面板上画有原理图。各测试点均装有测试探头可以钩住的端子。测试电压及波形十分方便。使学生在实验课中安全、方便、直观地观察到各种电压、电流的波形及数据。学生实验可以更加深入了解直流斩波电路的工作原理及其典型的应用电

.

关键词：直流；电力电子；变换电路；

第一章摘要

1.1 直流斩波电路的介绍

直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。直流变换系统的结构如下图-1所示。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。

单相、

直流变换系统结构

1.2 直流斩波电路的发展前景

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。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（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton 不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。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%。

R Em

第二章 降压直流斩波电路设计

2.1 降压斩波电路工作原理

2.1.1降压斩波电路（Buck Chopper ）

电路的原理图如图2所示，

图2 降压斩波电路主电路

此电路使用一个全控型器件V ，图中为IGBT ，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD ，在V 关断时给负载中电感电流提供通道。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，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em 所示。

工作原理：当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。

当 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。 此电路的基本数量关系为： （1）电流连续时

负载电压的平均值为

(1-1)

式中，ton 为V 处于通态的时间，toff 为V 处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为

(1-2) （2）电流断续时，负载电压uo 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

斩波电路有三种控制方式：

E E T t E t t t U on off on on o α

==+=R

E U I m

o o -=

脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，

频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。

混合型：ton和T都可调，使占空比改变。

2.1.2 IGBT驱动电路选择

IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：

(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。

(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。

(4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其RG值较大。

(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT 的G～E极之间不能为开路。

IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。

IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用EXB841设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

本文将在斩波信号产生电路一节将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的比较，以此来说明集成驱动电路的优越性。

2.2 整流电路

本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的