直流斩波电路的性能研究

一、 buck斩波电路工作原理 .................................................. 1 二、硬件调试 .............................................................................. 3 2.1、电源电路 ...................................................................... 3 2.1.1 工作原理： ............................................................. 3 2.2 buck斩波电路 ............................................................... 5 2.3、 控制电路 .................................................................... 6 2.4、 驱动电路 .................................................................... 7 2.5 过压保护电路 ................................................................. 9 2.5.1 主电路器件保护 ..................................................... 9 2.5.2 负载过压保护 ....................................................... 9 2.5.3 过流保护电路 ....................................................... 10 2.6 元器件列表 ................................................................. 12 三、总结 .................................................................................... 12 四、参考文献 ............................................................................ 13

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一、 buck斩波电路工作原理

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。 习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。

直流斩波电路的种类较多，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斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。

利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，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。

所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为电力MOSFET的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。

1.1主电路工作原理

图1.1 BUCK斩波电路电路图

直流降压斩波主电路使用一个Power MOSFET IRF640N控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IRF640N的通断，当t=0时，驱动IRF640N导通，电源E向

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负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。电路工作时波形图如图１.2所示：

图1.2 电流持续时波形图

当tt1时刻，控制IRF640N关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0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IRF640N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：

U0E 在图中，ton为电力MOSFET处于通态的时间；toff为其处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。通过调节占空比α来调节输出电压Em。当α=1时，输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比α，则U0随之减小。此电路采用PWM方式控制IRF640N的通断。

1.2 控制电路选择

在实现对Power MOSFET IRF640N进行控制的控制电路中，考虑采用脉冲发生器TL494或者SG3525。二者区别如下：

1．SG3525,驱动电路简单,但其驱动电流小,适合于500W以下逆变器,比如直接驱动8个IRF3205,IC会发热高,TL494驱动能力强,合适驱动1000W以下机子,如果要更大功率,两IC都要抗流来增大驱动能力；

2．工作电压在15V左右,SG3525要比TL494能更稳定工作,但电压上到20V,TL494稳定性更强．SG3525不能直接用于24V电压,而TL494在30V的条件下依然能稳定运行,所以在24V电路中,TL494更简单；

3．在低频逆变中,从理论上说,TL494更能稳定50HZ输出,但电路设计得当,TL494在50HZ上也易实现,由于TL494死驱受控于5,7脚间电阻,所以对于AC

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输出电压变换比不上TL494实用。

综合以上原因，在控制电路部分，我们采用抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜TL494作为脉冲触发器。

二、硬件调试

2.1、电源电路

本设计采用电容滤波的二极管不可控整流电路获得所需的直流电源。

2.1.1 工作原理：

图1.1 整流电路原理图

用变压器降压后，由四个二极管组成一个全桥整流电路，由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压U0与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用于小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中，因此本电路选用电容滤波。

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图1.2 电源电路图

输入端接220V/50Hz的交流电，经过变压器T1（变压比为240/12*2）后输出24V/50Hz。当同名端为正时，D1、D4导通，D2、D3截止，电压上正下负；当同名端为负时，D1、D4截止，D2、D3导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压。

仿真测量结果如下：

图1.4 整流电路仿真电路图

整流桥二极管的选择:在桥式整流电路中，每只二极管只在输入电压的半个周期内导通，因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半，即

ID(AV)=I0(AV)/2=0.45U2/R。

在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器二次测电压U2的最大

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值，即 URM=1.414U2，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流I≧(1.1I0)/2≈0.5(U2/R);最大反向电压UR≧1.12U2=1.12×55=37.34V。

滤波电容的选择：C=(5T/2)/RL。

图1.5 整流电路仿真结果电路图

2.2 buck斩波电路

降压斩波电路图如下图所示，仿真时电路如下（以24V直流电源代替整流电源，以脉冲发生器代替驱动电路和控制电路）：

图2.1 降压斩波电路原理图

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图2.2 降压斩波电路仿真结果图

2.3、 控制电路

TL494的内部电路(如图3.1)由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。

图3.1 TL494内部电路图

其中1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益

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控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3．3V电压时可使截止时间从2％变化到100％。5、6脚分别用于外接振荡电阻RT和振荡电容CT，以确定振荡器产生锯齿波的频率

fosc

；

fosc1.1RTCT

式中，RT和CT的取值范围：RT=5～100kQ，CT=0.001～0.1uF。7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10 mA)；15、16脚是误差放大器2的反相和同相输入端。 TL494脉宽调制控制电路见下：

图3.2 TL494脉宽调制控制电路

2.4、 驱动电路

如图4.1所示，Power MOSFET降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，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。采用的光耦是TLP521-1。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。

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图4.1 光耦驱动电路

驱动电路的multisim仿真电路及其结果如下：

图4.2 驱动电路仿真图

原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大

其工作原理：当控制端的电压信号u为高电平时，光电耦合器导通，晶体管VT1、VT2导通。VT1导通使得VT3导通，VT2导通使得VT4截止，+Ucc经VT3与Rg向IGBT栅极提供驱动电流，使得IGBT导通。通常+Ucc为+15V，使得IGBT处于饱和导通状态。

当控制端的电压信号u为低电平时，光电耦合器不导通，晶体管VT1、VT2均截止。VT1截止使得VT3截止，VT2截止使得VT4导通，-Ucc经VT4与Rg向IGBT栅极提供反向驱动电流，使得IGBT截止。一般取-Ucc为-5到-10V。由于IGBT截止时，门极处于反向偏置状态，所以具有较强的抗干扰能力。在电路输出级采用互补式的电路可降低驱动器的内阻，并加速IGBT的关断过程。

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2.5 过压保护电路

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。

2.5.1 主电路器件保护

当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1所示。

图5.1 RC阻容过电压保护电路图

2.5.2 负载过压保护

如图6.2所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。

电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。

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图 5.2 负载过压保护

2.5.3 过流保护电路

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。如图1 在主电路串接一个快速熔断丝。

还有一种方法如图6.2所示，也是利用控制电路芯片的第10端。在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。

电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。

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图6.2 过流保护电路

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2.6 元器件列表

表2.6.1 元器件列表

元件名称 220/24V变压器 整流二极管 220uF电容 1uF电容 IRF640N RF16 100 电感 TL494CN 白炽灯 光耦二极管 运算放大器 电阻 电容 导线 数目 1个 5个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 3个 若干 若干 若干 三、总结

这次降压直流斩波电路的课程设计，不仅使我们对斩波电路有了更加清晰的认识，同时也对IGBT的驱动电路和保护电路也有了更深刻的认识，此外，在做设计的过程中我们也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方法，加深了对课本知识的进一步理解。

此次课程设计，从理论到实践，在有限的时间里，我们遇到了很多问题，在

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解决这些问题的同时，我们也学到了很多东西。我们不仅巩固了以前所学的电力电子的理论知识，也复习了模拟电子和数字电子部分的相关知识，更使我们知道了理论结合实践的基本方法，锻炼了自己解决实际问题的能力。

在此次课程设计过程中，碰到的问题比较多，有些靠我们已经学习到的知识根本解决不了，因此，不得不借鉴了很多资料，包括网上的和图书馆。当然，在解决了这些问题的过程中，我们也学到了很多新的知识。在做这次课程设计的过程中，我们学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，也对自己所掌握的知识进行了一次查漏补缺。通过这次课程设计，我们不仅看到了自己的不足之处，同时也锻炼了将理论知识运用到实际中的能力，加强了对知识的的理解和实际运用能力，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。

总之，这次课程设计不仅增加了我们的知识积累，让我们有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，不仅了解了这些知识在电源上丰富而强大的用途，为将来走进工作打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获。

四、参考文献

[1]王兆安，刘进军，电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版社，2009.5 [2]艾永乐，付子义，模拟电子技术基础.北京：中国电力出版社，2008 [3]艾永乐，付子义，数字电子技术基础.北京：中国电力出版社，2008

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