电力电子技术课程设计报告课题：降压斩波电路的设计目录一．引言二．课程设计1 降压斩波电路的设计目的2. 降压斩波电路的设计内容及要求3. 降压斩波电路主电路基本原理4. IGBT驱动电路4.1 IGBT简介4.2驱动电路设计方案比较5. 保护电路的设计6. MATLAB仿真6.1 MATLAB简介6.2 MATLAB发展历程6.3主电路仿真7.PROTEL原理图及PCB图的绘制8. 心得体会9. 元件清单三．参考文献一．引言高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。

它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。

BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

二．课程设计1.降压斩波电路的设计目的(1). 通过对降压斩波电路（buck chopper）的设计，掌握buck chopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行buck chopper电路和系统设计的能力。

(2). 了解与熟悉buck chopper电路拓扑、控制方法。

(3). 理解和掌握buck chopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

(4). 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力2. 降压斩波电路的设计内容及要求(1). 设计内容: 对Buck Chopper电路的主电路和控制电路进行设计，参数如下：直流电压E＝200V，负载中R＝10 ，L值极大,反电动式E1＝30V。

(2).设计要求(a)理论设计：了解掌握Buck Chopper电路的工作原理，设计Buck Chopper电路的主电路和控制电路。

包括：IGBT电流,电压额定的选择，画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元器件的明细表(b).仿真实验:利用MATLAB仿真软件对Buck Chopper 电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验(c).实际制作：利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印制电路板。

最后完成系统电路的组装，调试。

3.降压斩波电路主电路基本原理降压斩波电路主电路工作原理图如下：图1 降压斩波电路主电路工作原理图t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压0U E ，负载电流0i 按指数曲线上升。

t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0U 近似为零，负载电流0i 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。

图3 电流断续时的波形 t t t O O O 图2 电流连续时的波形 T E i G t on t off i o i 1 i 2 I 10 I 20 t 1 u o O O O t ttT EEi G i t on t off i o t x i 1 i 2 I 20 t 1t 2 u o E当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等如图2所示，负载电压的平均值为：on onon offt tU E E Et t Tα===+式中，ont为V处于通态的时间，offt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。

负载电流的平均值为：0UIR=若负载中L值较小，则在V关断后，到了2t时刻，如图3所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

由波形可见，负载电压U平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

4.IGBT驱动电路4.1IGBT 简介IGBT 是三端器件，具有栅极G，集电极 C和发射极 E。

它是个场控器件，通断由栅射极电压 Uge决定。

Uge 大于开启电压Uge(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。

通态时电导调制效应使电阻 R减小，使通态压降减小。

当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。

一般IGBT的开启电压Uge（th）在 25度时为2~6V左右，而实际一般驱动电压取15~20V，且关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。

在栅极串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随被驱动器件电流定额值的增大而减小。

图4 IGBT基本结构4.2 驱动电路设计方案比较：4.2.1 一个理想的IGBT驱动器应具有以下基本驱动性能：(1)动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。

当IGBT在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的损耗。

这个过程越长，开关损耗越大。

器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过IGBT通态损耗，造成管芯温升较高。

这种情况会大大限制IGBT的开关频率和输出能力，同时对IGBT的安全工作构成很大威胁。

IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。

IGBT的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。

另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。

同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。

(2)能向IGBT提供适当的正向栅压。

IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在集射电流一定的情况下，Vge越高，Vce越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。

但是，Vge并非越高越好，Vge过大，负载短路时Ic增大，IL．BT能承受短路电流的时间减少，对安全不利，一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。

因此，在有短路程的设备中Vge应选小些，一般选12～15V。

(3)在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，能向IGBT提供足够的反向栅压。

考虑到在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态，因此，最好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压(5～15V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

(4)有足够的输入输出电隔离能力。

在许多设备中，IGBT与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。

另外，许多电路中的IGBT的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接藕合。

因此驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，也有利于维修调试人员的人身安全。

但这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。

(5)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。

IGBT栅极极限电压一般为±20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

(6)输入输出信号传输无延时。

这不仅能够减少系统响应滞后，而且能提高保护的快速性。

(7)大电感负载下，IGBT的开关时间不能过分短，以限制di／dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。

4.2.2 方案比较（1）PWM 调制方式它是开电源中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信号与内部产生的锯齿波较，然后产生一个恒频变宽的方波信号去控制功率开关管。

根据负载情况实时调节开导通时间，从而稳定输出电压图5 PWM 调制原理电路图图6 PWM波形总的说来，PWM 控制方式在开关电源中使用最为普遍，它具有以下优点:在负载较重情况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式。

同时，PWM 控制方式存在以下缺点:输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。

（2）电压控制模式（PWM）它是直流开关电源最基本的一种控制，属于单环负反馈控制。

其实质是:在输出电压ouT端分压采样 VFB，与给定(基值 VREF)比较，然后用比较信号控制振荡器的频率或者占空比，再由振荡器输出调整后的开关信号驱动功率开关管，从而使输出端电压稳定在某一个预定值。

因此电压控制模式直流转换器是单闭环负反馈控制系统图7 电压反馈控制模式原理图图 7 所示为电压反馈控制模式原理图，转换器输出电压VOUT 的采样信号 VFB 与基准电压VREF比较，比较输出信号经反相器反向，D触发器整形，然后和振荡器与输出控制开关管。

当输出电压超出预定值，则反馈控制信号为低电平，低电平D 触发输出将振荡器的脉冲信号与为 0，控制开关管持续关断，从而降低出出端电压。

同理，当输出端电压低于预定值时，翻开控制信号使开关管持续不断导通，从而增加输出端电压。

这就是电压反馈控制机理，只需要一个反馈信号 VFB，就可以实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。

（3）PFM 控制模式PWM 调制方式是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。

在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器(比如，压控振荡器 VCO)改变频率。

即通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出恒宽变频的方波信号去控制功率开关管。

依据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。

其调制原理如图8所示，工作波形如图9所示。

总的说来，PFM控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点:在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。

同时，也存在以下缺点:负载调整范围窄，滤波成本高。

图8 调制原理图9工作波形（4）PSM控制模式PSM ( Pulse-SkippingModulation)调制方式是开关电源中一种新的控制方式，称为脉冲跨周期调制。

将负载端电压反馈信号与基准电压比较转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。

其调制原理如图 10 所示，工作波形如图11 所示。

当反馈采样信号 Vfb 大于基准电压 Vref时，比较器输出低电平，然后经过 D 触发器的整形和同步，在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号跨过(与门的作用)，调节开关管关断，从而降低输出端电压;当反馈采样信号 VF13小于基准电压 Vref时，比较器输出高电平，然后经过D触发器的整形和同步，在时钟的上升沿将振荡器的脉冲信号送出(与门的作用)，调节开关管持续导通与关断，从而提高输出端电压。

图10 调制原理图图11工作波形（1）脉冲产生电路工作原理：当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻 R1 向电容C1充电。