直流降压斩波电路的设计

《电子科学与技术》课程设计报告

课题：直流降压斩波电路的设计

专 业 电气工程及其自动化 班 级 2011级三班 姓 名 学 号 指导教师 日 期

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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。

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直流降压斩波电路的设计

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。

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：Ud=15V 2.开关频率20KHz 3.输出电压8V

4.输出电压纹波：小于1% 5.具有稳压功能

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，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

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直流降压斩波电路的设计

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。

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

U0I0tonEtonEEtontoffT

U0EMR式中ton为V处于通态的时间；toff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ton不变，称为PWM。 2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 3） ton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。

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iGEViGVDLioR+uoMEM-a)tonTi1I10i2I20t1Ettofft

OioOuoOiGiGOioOuoOtonTti1Et1xb)tofftti2I20t2Etc)EMt3.3 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Ud。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。

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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15V，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15V；而当=1时，IGBT有最大电流，R=50Ω，计算约为0.3A。故需选择集电极最大连续电流Ic>0.3A，反向击穿电压Bvceo>15v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Ic》0.6A，反向击穿电压Bvceo》15V的IGBT。 (3)二极管 当=1时，其承受最大反压15V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于0.3A，故需选择Vc>15v,I>0.3A的二极管。考虑2倍的安全裕量：

Umin=2Xu1=15V Imin =1xIt=2x0.3=0.6A

(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=U0（Ud—Uo）/2fUdI。设输出电压为8V， 则L=8x（15—8）/2x1000x20x15x0.3=0.03mH

所以电感L>=0.03mH，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

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C=U0（Ud—Uo）/8LΔUcffUd

=8x（15—8）/8x0.1mHx0.01x20Kx20Kx15=11.6mF 这里取C=12mF。

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。 由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：

3.5驱动电路核心芯片（IR2110）

1、IR2110简介：

IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。根据IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。

IR2110可按如下方式接线：

这里利用IR2110的功率放大作用，将单片机生成的PWM波进行放大后，再发送

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给主电路的控制开关IGBT，基本接线图如下：

图6 控制电路图

4 元器件清单

器件名称 绝缘栅双极型晶体管 续流二极管 电感 电容 金属膜电阻 三极管 PWM控制器

回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理

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规格与型号 30V/0.6A IN414B 数量 1个 1个 1个 2/1/1/1个 2/1 个 各1个 1片 0.1mH 47pF/10uF/12mF/1uF 50Ω/8.2k PNP型.NPN型 IR2112 直流降压斩波电路的设计

论到实践，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且培养了我的自学能力，特别是对PWM控制技术的学习。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

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