电力电子降压斩波电路课程设计报告书

绪论 现代电力电子技术的发展方向 ,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学 ,向以 高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年 代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力 电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技 术已经进入现代电力电子时代。 直流斩波电路（DC Chopper）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（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）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；直流斩波电路的种类很多，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，Zeta 斩波电路，前两种是最基本电路。 而直流斩波器（DC Chopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压 的直流电压， 从而满足负载所需的直流电压的变流装置。 也称为直接直流-直流变换器 （DC/DC Converter） 。它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变 这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电 压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路应 用的两个重要领域，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。前者是斩波电路应用 的传统领域后者则是斩波电路应用的新领域。直流斩波器的种类较多，包括 6 种基本斩波器： 降压斩波器（ Buck Chopper） 、升压斩波器（ Boost Chopper） 、升降压斩波器 (Boost-Buck Chopper)、Cuk 斩波器、Sepic 斩波器和 Zeta 斩波器，前两种是最基本的类型。 因此，课程设计的选题为：设计使用全控型器件为 IGBT 的降压斩波电路。 2设计要求与方案设计要求与方案 2.1 设计要求 降压斩波电路设计要求： 1、输入直流电压：Ud=100V 2、开关频率 5KHz 3、输出电压脉率：小于 10% 4.输出功率：300W 5.占空比 10%~90% 2.2 方案确定 一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于 IGBT 的 降压斩波短路。 直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模 块。根据降压斩波电路设计任务要求设计结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 电路结构框图 在图 2.1 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。 电源 驱动电路触发电路主电路 3主电路设计 3.1 主电路方案 根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路， 可运用电力电子开关来控制电路的通断 即改变占空比， 从而获得我们所想要的电压。 这就可以根据所学的 buck 降压电路作为主电路， 这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流 变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选 择，选用比较熟悉的全控型的 IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为 IGBT 控制较为简单， 且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电 流大等优点。 3.2 工作原理 根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图 1 所示： 图 1 主电路图 如图，IGBT 在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流 io 流过大电 感 L，电源给电感充电，同时为负载供电。而 IGBT 截止时，电感 L 开始放电为负载供电， 二极管 VD 导通，形成回路。 IGBT 以这种方式不断重复开通和关断，而电感 L 足够大，使得 负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压 之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。 降压斩波的典型波形如下图所示。 iG ton O io i1 I10 O uo E T i2 I20 t1 toff t iG iGO io ton Tt i1 t1 E I20 x toff t i2 t2 E t tO uo O a) t Ob) EM t 图 2 降压电路波形图 当t  t 1 时刻，控制IGBT 关断，负载电流经二极管V D 续流，负载电压u 0 近似为零，负载 电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联 L 值较大的电感。 至一个周期 T 结束，再驱动IGBT 导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载 电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为 U o o  t onon t U i ononU i U i t onon t offoff T t on为处于断态的时间；T 为开关周期；α为导通占空比。 UU 通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值 0最大为 E，若减小占空比α，则0随之 为 IGBT 处于通态的时间； t off 减小。由此可知，输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 U i，若减小占空比α，则 Uo 随之减 小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。 3.3 参数分析 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 100V。 (2)电阻 因为当输出电压为 200V 时，假输出电流为 20A。所以由欧姆定律 U R 0 Io 可得负载电阻值为 1 欧姆。 (3)IGBT 由图 3 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=1 时，IGBT 有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最续电流I c =10A， 反向击穿电压Bvceo 200V的 IGBT，而一般的 IGBT 都满足要求。 (4)二极管 其承受最大反压 100V，其承受最大电流趋近于 20A，考虑 2 倍裕量，故需选 择U N  200V，I N  20A的二极管。 （5）开关频率 f=5KHz 4控制电路设计 4.1 控制电路方案选择 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