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=100V2.开关频率40KHz3.输出电压范围50V~80V4.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：6A7.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RE U I EE Tt t t E t U Mon 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。

c)i E M3.3 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 ，总是小于输入电压d U 。

该电路使用一个全控型器件V ，为IGBT 。

在V 关断时，为了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 min 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 ΔcUff 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。

SG3525是定频PWM 电路，采用16引脚标准DIP 封装。

其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。

图4 SG3525的引脚图5 内部框图SG3525各引脚具体功能：（1）引脚1：误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

（2）引脚2：误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。

（3）引脚3：振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现外电路同步。

（4）引脚4：振荡器输出端。

（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。

（6）引脚6：振荡器定时电阻接入端。

（7）引脚7：振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放回路。

（8）引脚8：软启动电容接入端。

（9）引脚9：PWM信号输入端。

（10）引脚10：外部关断信号输入端。

（11）引脚11：输出端A。

（12）引脚12：信号地。

（13）引脚13：输出级偏置电压接入端。

（14）引脚14：输出端B。

（15）引脚15：偏置电源接入端。

（16）引脚16：基准电源输出端。

SG3525芯片特点如下：（1）工作电压范围：8-35v。

（2） 5.1V微调基准电源（3）振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。

（4）具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。

（6）内置软启动电路。

（7）具有输入欠电压锁定功能。

（8）具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。

（9）逐个脉冲关断。

（10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)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。

3.4.2控制电路原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ：)37.0(1d t t R R C f +=式中:t C , t R 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；d R 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t C =1μF,t R =10Ω,d R =6.2Ω。

可得f=39.1kHz ，基本上等于实际40 kHz 即满足要求。

SG3525有保护的功能，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。

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13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。

由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：图6 控制电路图3.5 驱动电路原理与设计3.5.1本实验采用光电耦合式驱动电路该电路双侧都有源。

其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。

另外它使用比较方便，稳定性比较好。

但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1μs的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合3.5.2 驱动电路工作分析：驱动电路的电路图如图7所示：图7 驱动电路原理图如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。

光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。

本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。