1、電力電子技術課程設計說明書直流降壓斬波電路的設計院、部：學生姓名：指導教師：職稱專業：班級：完成時間：直流降壓斬波電路又稱為Buck變換器，它對輸入電壓進行降壓變換。通過控制電路的占空比即通過IGBT來控制降壓斬波電路的輸出電壓。直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用隨之出現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。全控型電力電子器件I

2、GBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。首先分析了直流斬波主電路（即Buck變換器）的工作原理，計算了電路的電壓電流和IGBT承受的正反向電壓，按照留有裕量的選型原則，選擇了IRG4PC40U型號的IGBT，并對其參數進行了介紹。利用PWM控制芯片SG3525作為觸發電路的核心部件，最后利用MATLAB建立了仿真模型，設置了模型的參數，并進行了仿真。仿真結果證明了設計的正確性。關鍵字：設計；仿真；直流降壓斬波；Buck21緒論11.1設計的背景與意義11.2直流斬波發展現狀11.3 本設計主要內容22直流斬波主電路的設計32.1設計原始參數32.2直流斬波電路原理32

3、.3 主電路的設計42.3.1直流降壓斬波電路42.3.2直流降壓斬波電路參數計算42.3.3主電路參數分析53 控制電路設計73.1 PWM控制芯片SG3525簡介及特點73.2 SG3525內部結構及工作特性73.3觸發電路94 仿真調試104.1仿真軟件的介紹104.2仿真模型建立104.3仿真結果分析12結束語15參考文獻16致謝17附錄18附錄A：元件清單18附錄B：主電路CAD圖191緒論1.1設計的背景與意義直流斬波主要應用于低壓大電流領域，其目的是為了解決續流管的導通損耗問題。采用一般的二極管續流，其導通電阻較大，應用在大電流場合時，損耗很大。用導通電阻非常小的MOS管代替二極

4、管，可以解決損耗問題，但同時對驅動電路提出了更高的要求。此外，對Buck電路應用同步整流技術，用MOS管代替二極管后，電路從拓撲上整合了Buck和Boost兩種變換器，為實現雙向DC/DC變換提供了可能。由于直流斬波具有調壓、調磁等作用，因此它的應用領域之一是直流電機的調速。直流電機的轉速取決于電樞電壓及磁場的大小，通過直流斬波器的調壓作用，可以調節電機的電樞電壓，達到調速的目的。另外，通過直流斬波器的調磁作用，可以調節電機的磁場及勵磁電流，也可以達到調速的目的。直流電機調速在地鐵、城市無軌電車、電動汽車等運輸車輛上得到了廣泛的應用。直流斬波的另一應用領域是直流供電電源。在各種應用場合中，不同

5、用電設備所需要的直流供電電壓的等級不同，采用直流斬波器可以將單一的、不穩定的直流輸入電壓變換成負載所需要的穩定的、不同電壓等級的直流供電電壓，因為直流斬波器工作在開關狀態，因此這種類型的直流供電電源也稱為開關電源。開關電源在計算機、通信等各個領域也得到了廣泛的應用。1.2直流斬波發展現狀電力電子學(PowerElectronics)是應用于電力技術領域中的電子學，在工程應用中稱為電力電子技術(PowerElectronicTechnique)。它是以利用大功率電子器件對電能進行變換和控制為研究內容，是一門與電子、控制和電力緊密相關的邊緣學科。它在電能的產生和使用之間建立了一種關系，在這種關系下

6、，電能的產生、輸送和使用都有很高的效率，而且各種不同的負載都能得到其所期望的最佳能量供應形式和最佳的控制。因此，電力電子技術不僅大量用于傳統電力系統中的交直流輸變電裝置，更廣泛應用于工業生產各個領域中各種電機的交直流調速，材料加工領域中各種加熱電源(如中高頻感應加熱電源、焊接電源等)的能量輸出控制等。隨著技術的發展，以電壓驅動的各種全控型高頻大功率器件及其功率模塊相繼出現，這為制造各種小巧輕便、性能穩定的高效率和高品質高頻開關電源提供了條件，這類電源目前廣泛用于各種通訊設備、計算機乃至各類家電產品?，F代電力電子技術(ModernPowerElectronicTechnique)主要以該領域中那

7、些后起的，目前最具發展前景的全控型電力電子器件如Power-MOSFET、IGBT、MCT、PIC等為背景，介紹它們的基本結構、工作原理、主要參數、應用特點，以及器件應用中的驅動、保護等基本問題，分別介紹在硬PWM開關和軟PWM開關條件下的各類變換電路。而直流斬波器(DCChopper)是一種把恒定直流電壓變換成為另一固定電壓或可調電壓的直流電壓，從而滿足負載所需的直流電壓的變流裝置。也稱為直接直流-直流變換器(DC/DCConverter)。它通過周期性地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率就可實現輸出電壓平均值的調節。直流斬波器除可調節直流電壓的

8、大小外，還可以用來調節電阻的大小和磁場的大小。直流傳動、開關電源是斬波電路應用的兩個重要領域，是電力電子領域的熱點。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管(IGBT)綜合了GTR和電力MOSFET的優點，具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場，應用領域迅速擴展，成為中小功率電力電子設備的主導器件。前者是斬波電路應用的傳統領域后者則是斬波電路應用的新領域。直流斬波器的種類較多，包括6種基本斬波器：降壓斬波器(BuckChopper)、升壓斬波器(BoostChopper)、升降壓斬波器(Boost-BuckChopper)、Cuk斬波器、Sepic斬波器和Zeta斬波器，前

9、兩種是最基本的類型。1.3本設計主要內容首先分析了直流斬波主電路(即Buck變換器)的工作原理，計算了電路的電壓電流和IGBT承受的正反向電壓，按照留有裕量的選型原則，選擇了IRG4PC40U型號的IGBT，并對其參數進行了介紹。利用PWM控制芯片SG3525作為觸發電路的核心部件，最后利用MATLAB建立了仿真模型，設置了模型的參數，并進行了仿真。仿真結果證明了設計的正確性。本設計說明書主要分為4章，第1章緒論，主要介紹了直流斬波的應用及發展現狀。第2章直流斬波主電路的設計主要介紹了直流斬波電路原理及直流降壓斬波電路的主電路設計、參數分析等。第3章觸發電路分析主要介紹了PWM控制芯片SG35

10、25簡介及其內部結構、工作特性，整體觸發電路的相關設計。第4章電路系統仿真及結論主要介紹了仿真軟件MATLAB的Simulink組件，仿真電路及其仿真結果分析。2直流斬波主電路的設計2.1設計原始數據設計一個電路，要求實現直流輸入電壓200V，輸出電壓50V-100V連續可調，輸出最大電流40A,實現DC-DC變換，接阻感性負載。2.2直流斬波電路原理直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負載側電壓低于電源電壓，其原理電路如圖1所示。在開關器件V導通時，有電流經電感L向負載供電，在V關斷時，電感L釋放儲能，維持負載電流，電流經負載和二極管VD形成回路。調節開關器件V的通斷周期，可以調整負載側

11、輸出電流和電壓的大小。onoff19式（1）中T為V開關周期，ton為導通時間，«為占空比。，Uo隨之減小，降壓斬波電路。也稱為Buck變換器Uo最大為E，減小a(BuckConverter)負載電流平均值為:(2)電流斷續時，Uo平均值會被抬高，一般不希望出現。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式:（l）保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton，稱為PWM（PulseWidthMadula-tion)或脈沖調寬型。(2) 保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T,稱為頻率調制或調頻型。(3) ton和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。2.3主電路的

12、設計2.3.1直流降壓斬波電路直流降壓斬波主電路框圖，如圖2所示：圖2直流降壓斬波主結構框圖2.3.2直流降壓斬波電路參數計算(1) 設計降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V，負載電阻R=10Q，試選L=2mH,T=50pS,ton=25pS。根據判斷電流斷續的條件：eap1m>(3)epiLTP=0.0002，p=0.1，ap=0.05Rpeap1=0.487>m(4)epi所有所選L符合要求，電流不斷續。(2) IGBT的參數設定此次設計的電源電壓為220V，開關頻率f=40kHz，當二極管VD導通時V的C和E兩端承受的電壓為電源電壓，因此U=220V。CEmax

13、UGE他隨溫度的升高略有下降，溫度每升高1°C,其值下降5mV左右。在+25°C時，UGE他的值一般為2-6V。參考電力電子技術課本可得：I=(竺二!)E=(m上mineT/p1RRep1R(6)/Ie-q/t、EE1e-叩E=()m=(m)max1e-t/tRR1e-PRtt式(5)、(6)中，p=T/t；m=E/E；t/二ap。m1Tt若取R為22Q，貝U：I=220/R=10Amax(3) 續流二極管VD的參數設定VD所承受的最大反向電壓是當IGBT導通是的電源電壓100V。所承受的最大電流是當IGBT關斷瞬間電感L作用在VD上的電流，此電流為I=22Aomax(4)

14、 電感的參數設定由上面所選的電阻10Q，根據歐姆定律：(7)由式(7)可知，當U=80V時，I=8A;當U=50V時，I=5A;OomaxOomin根據電感電流連續時電感量臨界值條件：L=Ux(UU)/(2UI)0d0d0為了保證負載最小電流電路能夠連續，取I=5A來算，可得L=0.0625mH,0所以只要所取電感L>0.0625mH，取L=1mH。設計要求輸出電壓紋波小于1%,由紋波電壓公式：AUc=Uo*(UdUo)/8LCf2Ud(8)由式(8)可得LC>0.195uHxF取C=0.47mF2.3.3主電路參數分析主電路中需要確定參數的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感

15、、電阻值的確定，其參數確定如下：(1) 電源要求輸入電壓為200V。其直流穩壓電源模塊前面已完成，以該直流穩壓電源作為系統電源。(2) 電阻因為當輸出電壓為50-100V時，輸出電流為10A。所以由歐姆定律可得負載電阻值為R=U0JEm，可得到電路電阻應該在5-10Q。d(3) IGBT當IGBT截止時，回路通過二極管續流，此時IGBT兩端承受最大正壓為220V；而當a=1時，IGBT有最大電流，其值為10A。故需選擇集電極最大連續電流I>10A，反向擊穿電壓B>220V的IGBT。而一般的IGBTcvceo都滿足要求。考慮其安全裕度則IGBT的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以

16、額定電壓可為440V-660V，額定電流33A-44A，二極管VD與其類似，VD的最大反向電壓為220V。因此，選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600V，額定電流為40A。(4) 二極管當a=1時，其承受最大反壓200V；而當a趨近于1時，其承受最大電流趨近于10A，故需選擇U>220V，I>10A的二極管。因此，選擇NN續流二極管的型號為HFA25TB60，其額定電壓為600V,額定電流為25A。(5) 電感選擇大電感L(為700mL)。3控制電路設計3.1 PWM控制芯片SG3525簡介及特點隨著電能變換技術的發展，功率MOSFET在開關變換器中開始廣泛使用，

17、為此美國硅通用半導體公司(SiliconGeneral)推出SG3525。SG3525是用于驅動N溝道功率MOSFET。下面我們對SG3525特點、引腳功能、電氣參數、工作原理以及典型應用進行介紹。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照反饋電流調節脈寬。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器，可滿足對Buck主電路的脈沖觸發控制。SG3525

18、特點：(1) 工作電壓范圍寬：835V。(2) 5.1(1.0%)V微調基準電源。(3) 振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz。(4) 具有振蕩器外部同步功能。(5) 死區時間可調。(6) 內置軟啟動電路。(7) 具有輸入欠電壓鎖定功能。(8) 具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖，逐個脈沖關斷。(9) 雙路輸出(灌電流/拉電流)：mA(峰值)。3.2 SG3525內部結構及工作特性(1) 基準電壓調整器基準電壓調整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護的電壓調整器。它供電給所有內部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸入電壓低于6V時,可把15、16腳短接，這時5V電壓調整器不起作

19、用。(2) 振蕩器3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開，有利于通過RD來調節死區的時間，因此是重大改進。這時3525A的振蕩頻率可表為：SC(0.7R+3R)TTD(3)SG3525引腳圖SG3525的引腳圖如圖3所示。反相輸入41P116n基椎電壓同相輸入增213同步油出C314輸出抿藩錯輸出U413眄基電尊GC512=>GND時基電阻Rt611:3A輸出放電電阻Rn匚710關斷控制軟啟動妙EZ89圖3SG3525引腳圖(4)SG3525的內部結構SG352

20、5的內部結構如圖4所示。圖4SG3525的引腳以及內部框圖在直流降壓斬波電路中可以通過調節2腳接的電阻值改變輸出脈沖信號的占空比，根據求頻率f的公式計算出SG3525外接元件參數。3.3觸發電路MOSFET驅動器是一款高頻高電壓柵極驅動器，可利用一個同步DC/DC轉換器和高達100V的電源電壓來驅動兩個N溝道MOSFET。強大的驅動能力降低了具高柵極電容MOSFET中的開關損耗。針對兩個與電源無關的輸入進行配置。高壓側輸入邏輯信號在內部被電平移位至自舉電源，此電源可以在高出地電位達114V的電壓條件下運行。在電源系統中，MOSFET驅動器一般僅用于將PWM控制IC的輸出信號轉換為高速的大電流信

21、號，以便以最快的速度打開和關閉MOSFET。由于驅動器IC與MOSFET的位置相鄰，所以就需要增加智能保護功能以增強電源的可靠性。MOSFET驅動電路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。MOSFET驅動電路分析隨著微處理技術的發展（包括處理器、系統結構和存儲器件），數字信號處理器以其優越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數字信號處理器構成的控制系統，MOSFET驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與MOSFET的接口電路的設計直接影響到系統工作的可靠性

22、。因此本文采用SG3525設計的光耦驅動電路是一種可靠的MOSFET驅動方案。電路設計如圖5所示。“Hp45(M22OVGNDpTZh；C3TVi?I5VGNLnLnputVhrfNlhpm+V(nSyncOROkQVeCtGHDRtOADi*DownSSmrtCmpJWT3VCIO加RTT圖5SG3525光耦驅動電路L5VGNDISVGNG4仿真調試4.1仿真軟件的介紹MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB中的一種可

23、視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。豐富的可擴充的預定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設計功能的層次性來

24、分割模型，實現對復雜設計的管理通ModelExplorer導航、創建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統執行中調用MATLAB算法使用定步長或變步長運行仿真,根據仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環境，定義信號參數和測試數據模型分析和診斷工具來保證

25、模型的一致性，確定模型中的錯誤。4.2仿真模型的建立本設計借助于Matlab的Simulink工具箱來實現buck電路的建模。圖6為未帶反饋的buck電路模型圖。圖6為未帶反饋的buck電路模型圖該電路中開關器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脈沖生成器PulseGenerator產生，PulseGenerator在SimulinkLibraryBrowser的Simulink下拉菜單Sources類別中。在繪制仿真圖時，打開SimulinkLibraryBrowser，可以在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，如PulseGenerator，雙擊查找。找到元件后直

26、接將其拖到新建Model文件窗口中即可。IGBT和二極管，選擇SimPowerSystems下拉菜單PowerElectronics類別中的IGBT和Diode。電阻、電感和電容元件，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，雙擊該圖標，在BranchType中選擇相應類型，如電阻選R,電感選L,電容選C,選擇完畢后單擊OK按鈕。放齊元件后，按降壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應在輸出端加上電壓測量裝置VoltageMeasurement，并在Simulink下拉菜單CommonlyUsedBlocks類別中選擇S

27、cope，即示波器，以觀測輸出電壓波形。在不帶反饋的Buck模型下，記錄下仿真的輸出電壓波形。圖7帶反饋buck電路模型圖本模型的建立利用PWM控制原理，利用Simulink庫里面的減法器模擬誤差放大器，在constant模塊里設定的常數模擬參考電壓，因simulink中沒有專門的比較器，故利用一個減法器和一個選擇開關模擬比較器，結合buck開環模型構成了帶反饋自調整的buck模型。4.3仿真結果分析因為輸入電壓為200V，仿真過程中控制占空比為50%,則輸出電壓為100V,下面將對輸出電壓為100V時，未加反饋和加反饋的buck電路進行對比分析。ePSCOOOOOOOOOOOO0864208

28、642211111丄0.8圖9加反饋的仿真結果圖將圖8和圖9進行對比可得出，兩個電路在啟動時會有短暫的過電壓過程,這在設計電路時要加過壓保護電路。且過電壓峰值基本相同，說明施加反饋的過程中沒有改變超調量，但可以看出，施加反饋環節大大地縮短了輸出電壓的調節時間，且使輸出更穩定，所以，在實際應用中，我們要盡量設計閉環系統，開環系統往往對干擾的抑制能力有限，容易造成系統的不穩定。適當的施加恰當的反饋，有利于改善系統的動態性能，同時提高系統的穩定性。所以流過電感的電流線性上升，且斜率為dI/dT二(U-U)/L,使得電感電流i00為右階梯的斜坡。而圖11所示為續流二極管的電流波形，當開關管關斷時，電流

29、轉移流向二極管，此時電感兩端電壓的極性相反，電感中的電流線性下降且斜率為dI/dT二(U+1)/L，所以波形為圖12所示的下降的階梯斜坡。00由電路工作過程分析及三幅波形圖的對比可得出輸出電流的波形就是流過電感和續流二極管的電流波形疊加的結果。結束語學習電力電子技術這門課已經一個學期了，正所謂“紙上得來終覺淺”，通過本次課程設計，我對直流降壓斬波電路有了深刻的了解，從主電路的設計到觸發電路的設計，從元器件的選擇到Matlab仿真，使我深感自己知識的不足，但通過到圖書館查閱相關資料以及瀏覽相關網站使我增長了不少的知識，詳細閱讀當然是不現實的，我選取了一部分跟這次課程設計有關的內容進行了解，最終成

30、功完成了直流降壓斬波電路的設計。關于本次的課程設計，剛開始我選用了Multisim軟件，以前電路上機實驗我有用過這個軟件，我用的版本是multisimlO,里面的芯片還是挺齊的，唯一的遺憾就是沒有SG3525芯片，于是我用了一個16個接線頭的集成電路模擬，在仿真的時候我用輸入矩形波代替了SG3525，不過仿真過程不太順利，老是有錯誤出現無法運行，這讓我有些泄氣。于是我決定還是用Matlab中的Simulink來完成仿真這一塊。WPS文字編輯也越熟練了。電腦上仿真差不多以后我又到學校的實驗室對電路進行了實際接線，其實在平時的實驗中我有做過Buck電路，實驗臺上的器件也很齊全，接線也比較容易，所以完成得比較順利。當然在設計的過程中也遇到了很多的問題，比如在計算元器件參數是缺少理論依據難以正確的計算相應的參數；在選取元器件型號和參數時，缺少實際經驗難以找到合適的元件；在用MATLAB軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學習解決了這些難題。在近年美國總統科技顧問委員會提交的咨詢報告中，列舉了6項關系到國民經濟發展和國家長久安全的國家關鍵技術，即材料、制造業、信息和通訊、生物技術、航空和運輸、能源和環境。從中我們可以看到，除生物技術一項外，其他5項