直流降压斩波电路的设计

直流降压斩波电路的设计

一、设计目的

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，也称为直接直流—直流变换器。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。设计目的如下：

（1）培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 （2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

（3）通过对直流降压斩波电路的设计，掌握直流降压斩波电路的工作原理，综合运用所学知识，进行直流降压斩波电路和系统设计的能力 （4）培养运用知识的能力和工程设计的能力。 （5）提高课程设计报告撰写水平。

二、设计任务 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

对直流降压电路的基本要求有以下几点： （1）输入直流电压：100V （2）输出电压范围：50V~80V （3）最大输出电流：5A （4）开关频率：40KHz （5）L：1mH

2.3、设计步骤

（1）根据给出的技术要求，确定总体设计方案 （2）选择具体的元件，进行硬件系统的设计 （3）进行相应的电路设计，完成相应的功能 （4）进行调试与修改 （5）撰写课程设计说明书

三、设计方案选择及论证

斩波电路有三种控制方式

（1）脉冲宽度调制（PWM）：开关周期T不变，改变开关导通时间Ton。 （2）频率调制：开关导通时间不变，改变开关周期T。

（3）混合型：开关导通时间和开关周期T都可控，改变占空比。

本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT，IGBT降压斩波电路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。它集中了电力MOSFET和GTR的优点，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。

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。

四、总体电路设计

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 压斩波电路结构框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生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。

五、各功能模块电路设计 5.1、控制电路设计 5.1.1、驱动电路方案选择

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。

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Ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型； （2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型； （3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。

因为斩波电路有这三种控制方式，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。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

图2 SG3525引脚图

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图2所示，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，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。

5.1.2、工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为：

f?1

Ct(0.7Rt?3Rd)式中:Ct,Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取Ct=0.01μF, Rt=

1k?,Rd=600?。可得f=40kHz，满足要求。

图3 控制电路

SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图3所示10端外接过压过流保护电路。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。

SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。

5.1.3、控制芯片介绍

本控制电路是以SG3525 为核心构成,SG3525 为美国Silicon General 公司生产的专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图4所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差, 占空比可调的矩形波(即PWM信号).然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。

图4 SG3525A 芯片的内部结构

（1）基准电压调整器

基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器

3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为：

fS?1CT(0.7RT?3RD)

在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。

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