直流斩波电路的设计课程设计.docx
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直流斩波电路的设计课程设计
课程设计说明书
题目名称：
直流斩波电路的设计
新疆工程学院
电力工程系（部）课程设计任务书
2014/2015学年第二学期2015年6月15日
专业
新能源应用技术
班级
13-1
课程名称
电力电子技术
设计题目
直流斩波电路的设计
指导教师
起止时间
2015.6.15-2015.6.21
周数
1
设计地点
实验楼
设计目的：
（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。
（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。
（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。
（4）广泛收集相关资料。
（5）独立思考，刻苦专研，严禁抄袭。
（6）按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。
设计任务或主要技术指标：
（1）明确设计任务，对所要设计地任务进行具体分析，充分了解系统性能，指标要求。
（2）制定设计方案。
（3）迸行具体设计：
单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。
（4）撰写课程设计报告（说明书）：
课程设计报告是对设计全过程的系统总结。
设计进度与要求：
斩波电路输出电压为100±5V，直流降压斩波电路输入电压为直流流200V，直流升压斩波电路输入电压为直流50V。
脉冲周期为50μS（降压）40μS（升压），脉冲信号占空比可以通过SG3525调节。
6月15号：
设计任务，确定元件参数、指标；
6月17号：
开始用Multisim进行仿真，Protel绘制硬件电路图；
6月19号：
号开始撰写设计报告。
主要参考书及参考资料：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）.北京：
机械工业出版社,2014.6.
[2]陈道炼.DC-DC逆变技术及其应用.北京：
机械工业出版社,2003.
[3]张乃国.电源技术．北京：
中国电力出版社,1998.
[4]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：
科学出版社,2001.
教研室主任（签名）系（部）主任（签名）
摘要
直流斩波电路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。
直流斩波电路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；
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。
通过示波器很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，利用自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。
硬件电路设计，它通过Protel等软件设计完成。
关键词：
直流斩波控制驱动保护
1.3.3直流升压斩波电路.........................................................................................9
1 直流斩波主电路的设计
1.1电力电子技术介绍
1.1.1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。
电有直流（DC）和交流（AC）两大类。
前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。
实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数（如电压，电流，频率和功率因数等）进行变换。
变换器共有四种类型：
（1）交流-直流（AC-DC）变换：
将交流电转换为直流电。
（2）直流-交流（DC-AC）变换：
将直流电转换为交流电。
这是与整流相反的变换，也称为逆变。
当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。
（3）交-交（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。
其中：
改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。
（4）直流-直流（DC-DC）变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。
1.1.2 电力电子技术的发展
在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。
与这些旋转式的交流机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。
1957年第一只晶闸管—也称可控硅（SCR）问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。
70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：
门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。
现在已有专为各种控制
功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。
微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。
各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。
将新的控制理论和方法应用在变换器中。
综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动力。
1.1.3电力电子技术的重要作用
（1） 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。
（2） 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。
（3） 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。
（4） 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。
1.1.4电力电子技术课程的学习要求
（1） 熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。
（2） 熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。
（3） 了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。
（4） 了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。
（5） 掌握基本实验方法与训练基本实验技能。
1.2直流斩波电路介绍
直流-直流变换器（DC/DCConverter）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为斩波电路（DCConverter），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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
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。
习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。
直流斩波电路的种类较多，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斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。
一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。
利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。
利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。
全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。
目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。
1.3直流斩波电路原理
1.3.1直流降压斩波电路
直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如图1-1 所示。
该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT,也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。
斩波电路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。
若无反电动势时，只需另EM=0即可。
如图1-1b中V的栅射电流iG波形所示，在t=0时刻开关器件V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。
当t=t1时刻，控制V关断，电感L释放储能，维持负载电流，电流经负载和二极管VD形成回路，负载电压u0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。
图1.1 直流降压斩波电路原理图及工作波形
至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。
调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
负载侧输出电压的平均值为：
（1-1）
式中
为V开关周期,
为V处于通态的时间，
为V处于断态的时间，
为导通占空比，简称占空比或导通比。
由式（1-1）可知，输出到负载的电压平均值
最大为
，减小
，
随之减小。
因此该电路为降压斩波电路，也称为Buck变换器。
负载电流平均值为：
（1-2）
由图1-1b、c可见，电流断续时
平均值会被抬高，一般不希望出现。
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：
（1）电源要求输入电压为200V。
其直流稳压电源模块前面已完成，以该直流稳压电源作为系统电源。
（2）电阻因为当输出电压为200V时，假设输出电流为0.1-1A。
所以由欧姆定律可得负载电阻值应该在
。
（3）IGBTIGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
由图1.1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200V；而当
=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。
故需选择集电极最大连续电流
>
，反向击穿电压
的IGBT。
而一般的IGBT都满足要求。
（4）二极管当
=1时，其承受最大反压200V；而当
趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择
，
的二极管。
（5）电感选择大电感L（为700mL）。
该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。
为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。
斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况句会出现反电动势。
在具有升降压功能的非隔离式DC／DC变换器中，Buck-Boost变换器和Cuk变换器是负极性输出，Sepic变换器和Zeta变换器是正极性输出，但这两个变换器结构复杂，都需要两个储能电感，这必然导致变换器的损耗增加、效率变低，且体积和质量大。
本文针对实际研究项目中提出的要求，摒弃采用上述各种变换器，设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的DC／DC变换器，并采用该DC／DC变换器研制出达到技术指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用价值。
直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。
机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。
PWM控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。
在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT）等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（PulseWidthModulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。
调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。
电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。
这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。
电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。
这是由于闭环控制系统具有反馈环节。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。
较低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电动机等环节组成。
这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。
本文中的双闭环可逆ＰＷＭ调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调的PWM波，它的内部包括误差放大器,限流保护环节,比较器,振荡器,触发器,输出逻辑控制电路和输出三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器,输出级是由ＩＧＢＴ构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。
由于电路有开关频率高的特点，所以直流脉宽调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高，系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式:
（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间
，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型。
（2）保持开关导通时间
不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
（3）
和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
1.3.2降压斩波电路实验室验证
理论学习后，在实验室进行了直流降压斩波电路实验验证，直观看出了导通占空比α对负载的电压平均值
的影响，其实验器材和接线图如图1.2所示：
图1.2电力电子实验实训装置
直流斩波降压电路内容和步骤:
1.根据直流斩波电路图完成降压电路的连线。
2.将（+20V、+5V、-5V）接入线路板相应电源接口。
注意电压+、-极性不可接错。
3.测量各电压的幅值是否正确。
4.用示波器和万用表测量主电路（50V整流电路）输出电压的幅值和波形。
5.调节RP，用示波器测量脉冲的宽度和幅值，观察他们的变化，并做记录。
6.在脉冲信号电压及主电路电压（幅值与波形）正常的情况下，接上负载（灯泡）及脉冲输入信号。
7.使占空比为50%上时，测量负载平均电压UL的幅值与波形，如图1.3。
8.使占空比分别为30%，最大（98%）时，重复步骤7。
记录波形，如图1.4和图1.5。
图1.3占空比50%时的波形
图1.4占空比30%时的波形
图1.5占空比98%时的波形
1.3.3 直流升压斩波电路
直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1.6所示。
首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。
当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。
调节开关器件V的通断周期可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
图1.6直流升压斩波电路原理图及工作波形
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即:
（1-3）
式中
为V开关周期,
为导通时间，
为关断时间。
≥1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
式（1-3）中
表示升压比，调节其大小；将升压比的倒数记作β，即β=
。
则β和占空比α有如下关系
α+β=1（1-4）
因此式（1-3）可表示为
（1-5）
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:
一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。
在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压U0不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
1.4主电路的设计
1.4.1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及占空比对波形的影响，本设计主要讲述直流降压斩波电路。
1.4.2课程设计的任务与要求
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。
斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的他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Multisim来进行。
稳压电源，电机均由实验室提供。
1.4.3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1.7所示：
图1.7降压斩波电路原理图
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α，ui、uo的平均值Ui和Uo。
2触发电路设计
2.1控制及驱动电路设计
2.1.1PWM控制芯片SG3525简介
SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。
在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。
它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。
一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。
在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。
在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。
一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。
只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。
当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。
输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。
SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。
·工作范围为8.0V到35V
·5.1V±1.0％调定的基准电压
·100Hz到400KHz振荡器频率
·分立的振荡器同步脚
2.1.2SG3525内部结构及工作特性
（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、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：
（2-1）
（3）SG3525的内部结构
PWM控制芯片SG3525具体的内部引脚结构如图2.1及图2.2所示。
其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路脚5、脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容
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