降壓斬波電路.doc

電力電子技術(shù)課程設計報告課題：降壓斬波電路的設計目錄一 引言二 課程設計1 降壓斬波電路的設計目的 2. 降壓斬波電路的設計內(nèi)容及要求 3. 降壓斬波電路主電路基本原理 4. igbt驅(qū)動電路 4.1 igbt簡介 4.2 驅(qū)動電路設計方案比較 5. 保護電路的設計 6. matlab仿真 6.1 matlab簡介 6.2 matlab發(fā)展歷程 6.3 主電路仿真 7.protel原理圖及pcb圖的繪制 8. 心得體會9. 元件清單三參考文獻 一 引言高頻開關穩(wěn)壓電源已廣泛運用于基礎直流電源、交流電源、各種工業(yè)電源，通信電源、通信電源、逆變電源、計算機電源等。它能把電網(wǎng)提供的強電和粗電，它是現(xiàn)代電子設備重要的“心臟供血系統(tǒng)”。buck變換器是開關電源基本拓撲結(jié)構(gòu)中的一種，buck變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。二課程設計1.降壓斬波電路的設計目的(1). 通過對降壓斬波電路（buck chopper）的設計，掌握buck chopper電路的工作原理，綜合運用所學知識，進行buck chopper電路和系統(tǒng)設計的能力。(2). 了解與熟悉buck chopper電路拓撲、控制方法。(3). 理解和掌握buck chopper電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設計方法，掌握元器件的選擇計算方法。(4). 具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力2. 降壓斬波電路的設計內(nèi)容及要求(1). 設計內(nèi)容: 對buck chopper電路的主電路和控制電路進行設計，參數(shù)如下：直流電壓e200v，負載中r10，l值極大,反電動式e130v。(2).設計要求(a)理論設計：了解掌握buck chopper電路的工作原理，設計buck chopper電路的主電路和控制電路。包括：igbt電流,電壓額定的選擇，畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路所用元器件的明細表(b).仿真實驗:利用matlab仿真軟件對buck chopper 電路主電路和控制電路進行仿真建模，并進行仿真實驗(c).實際制作：利用protel軟件繪出原理圖，結(jié)合具體所用元器件管腳數(shù)，外型尺寸，考慮散熱和抗干擾等因素，設計pcb印制電路板。最后完成系統(tǒng)電路的組裝，調(diào)試。3.降壓斬波電路主電路基本原理降壓斬波電路主電路工作原理圖如下：圖1 降壓斬波電路主電路工作原理圖t=0時刻驅(qū)動v導通，電源e向負載供電，負載電壓，負載電流按指數(shù)曲線上升。圖3 電流斷續(xù)時的波形tttooo圖2 電流連續(xù)時的波形teigtontoffioi1i2i10i20t1uooootttteeigigtontoffiotxi1i2i20t1t2uoemt=t1時控制v關斷，二極管vd續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感l(wèi)使負載電流連續(xù)且脈動小。 當電路工作穩(wěn)定時，負載電流在一個周期的初值和終值相等如圖2所示，負載電壓的平均值為：式中，為v處于通態(tài)的時間，為v處于斷態(tài)的時間；t為開關周期；為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。負載電流的平均值為：若負載中l(wèi)值較小，則在v關斷后，到了時刻，如圖3所示，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。4.igbt驅(qū)動電路4.1igbt 簡介igbt 是三端器件，具有柵極g，集電極 c和發(fā)射極 e。它是個場控器件，通斷由柵射極電壓 uge決定。uge 大于開啟電壓uge(th)時，mosfet內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，igbt 導通。通態(tài)時電導調(diào)制效應使電阻 r減小，使通態(tài)壓降減小。當柵射極間施加反壓或不加信號時，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，igbt 關斷。一般igbt的開啟電壓uge（th）在 25度時為26v左右，而實際一般驅(qū)動電壓取1520v，且關斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓，有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻有利于減小寄生振蕩，該電阻值應隨被驅(qū)動器件電流定額值的增大而減小。 圖4 igbt基本結(jié)構(gòu)4.2 驅(qū)動電路設計方案比較：4.2.1 一個理想的igbt驅(qū)動器應具有以下基本驅(qū)動性能：(1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為igbt柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。當igbt在硬開關方式下工作時，會在開通及關斷過程中產(chǎn)生較大的損耗。這個過程越長，開關損耗越大。器件工作頻率較高時，開關損耗會大大超過igbt通態(tài)損耗，造成管芯溫升較高。這種情況會大大限制igbt的開關頻率和輸出能力，同時對igbt的安全工作構(gòu)成很大威脅。igbt的開關速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關。igbt的柵源特性顯非線性電容性質(zhì)，因此驅(qū)動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力，才能使igbt柵源電壓建立或消失得足夠快，從而使開關損耗降至較低的水平。另一方面，驅(qū)動器內(nèi)阻也不能過小，以免驅(qū)動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時，過短的開關時間也會造成主回路過高的電流尖峰，這既對主回路安全不利，也容易在控制電路中造成干擾。 (2)能向igbt提供適當?shù)恼驏艍?。igbt導通后的管壓降與所加柵源電壓有關，在集射電流一定的情況下，vge越高，vce越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是，vge并非越高越好，vge過大，負載短路時ic增大，ilbt能承受短路電流的時間減少，對安全不利，一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，igbt損壞的可能性就越大。因此，在有短路程的設備中vge應選小些，一般選1215v。 (3)在關斷過程中，為盡快抽取pnp管中的存儲電荷，能向igbt提供足夠的反向柵壓?？紤]到在igbt關斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的igbt處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗，重則將使裂變電路處于短路直通狀態(tài)，因此，最好給應處于截止狀態(tài)的igbt加一反向柵壓(515v)，使igbt在柵極出現(xiàn)開關噪聲時仍能可靠截止。 (4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設備中，igbt與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。另外，許多電路中的igbt的工作電位差別很大，也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅(qū)動器具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，也有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但這種電隔離不應影響驅(qū)動信號的正常傳輸。 (5)具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。igbt柵極極限電壓一般為20v，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號傳輸無延時。這不僅能夠減少系統(tǒng)響應滯后，而且能提高保護的快速性。(7)大電感負載下，igbt的開關時間不能過分短，以限制didt所形成的尖峰電壓，保證igbt的安全。4.2.2 方案比較（1）pwm 調(diào)制方式它是開電源中最常采用的控制方式，通過負載端反饋信號與內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波較，然后產(chǎn)生一個恒頻變寬的方波信號去控制功率開關管。根據(jù)負載情況實時調(diào)節(jié)開導通時間，從而穩(wěn)定輸出電壓 圖5 pwm 調(diào)制原理電路圖 圖6 pwm波形總的說來，pwm 控制方式在開關電源中使用最為普遍，它具有以下優(yōu)點:在負載較重情況下效率很高，電壓調(diào)整率高，線性度高，輸出紋波小，適用于電流或者電壓控制模式。同時，pwm 控制方式存在以下缺點:輸入電壓調(diào)制能力弱，頻率特性較差，輕負載下效率下降。（2）電壓控制模式（pwm）它是直流開關電源最基本的一種控制，屬于單環(huán)負反饋控制。其實質(zhì)是:在輸出電壓out端分壓采樣 vfb，與給定(基值 vref)比較，然后用比較信號控制振蕩器的頻率或者占空比，再由振蕩器輸出調(diào)整后的開關信號驅(qū)動功率開關管，從而使輸出端電壓穩(wěn)定在某一個預定值。因此電壓控制模式直流轉(zhuǎn)換器是單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)圖7 電壓反饋控制模式原理圖圖 7 所示為電壓反饋控制模式原理圖，轉(zhuǎn)換器輸出電壓vout 的采樣信號 vfb 與基準電壓vref比較，比較輸出信號經(jīng)反相器反向，d觸發(fā)器整形，然后和振蕩器與輸出控制開關管。當輸出電壓超出預定值，則反饋控制信號為低電平，低電平d 觸發(fā)輸出將振蕩器的脈沖信號與為 0，控制開關管持續(xù)關斷，從而降低出出端電壓。同理，當輸出端電壓低于預定值時，翻開控制信號使開關管持續(xù)不斷導通，從而增加輸出端電壓。這就是電壓反饋控制機理，只需要一個反饋信號 vfb，就可以實現(xiàn)整個電路的負反饋而維持輸出恒定。（3）pfm 控制模式pwm 調(diào)制方式是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比的。在電路設計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(比如，壓控振蕩器 vco)改變頻率。即通過負載端反饋信號與基準信號進行比較，輸出誤差信號對工作頻率進行調(diào)節(jié)，然后輸出恒寬變頻的方波信號去控制功率開關管。依據(jù)負載狀況實時調(diào)節(jié)開關管的導通時間，從而穩(wěn)定輸出電壓。其調(diào)制原理如圖8所示，工作波形如圖9所示?？偟恼f來，pfm控制方式是開關電源中使用已經(jīng)比較普遍，具有以下優(yōu)點:在負載較輕情況下效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高，適用于電流或者電壓控制模式。同時，也存在以下缺點:負載調(diào)整范圍窄，濾波成本高。圖8 調(diào)制原理圖9工作波形（4）psm控制模式psm ( pulse-skippingmodulation)調(diào)制方式是開關電源中一種新的控制方式，稱為脈沖跨周期調(diào)制。將負載端電壓反饋信號與基準電壓比較轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，在時鐘上升沿檢測該反饋信號電平?jīng)Q定是否在該時鐘周期內(nèi)工作，調(diào)節(jié)開關管的導通時間，從而穩(wěn)定輸出電壓 。其調(diào)制原理如圖 10 所示，工作波形如圖11 所示。當反饋采樣信號 vfb 大于基準電壓 vref時，比較器輸出低電平，然后經(jīng)過 d 觸發(fā)器的整形和同步，在時鐘的上升沿將振蕩器的脈沖信號跨過(與門的作用)，調(diào)節(jié)開關管關斷，從而降低輸出端電壓;當反饋采樣信號 vf13小于基準電壓 vref時，比較器輸出高電平，然后經(jīng)過 d觸發(fā)器的整形和同步，在時鐘的上升沿將振蕩器的脈沖信號送出(與門的作用)，調(diào)節(jié)開關管持續(xù)導通與關斷，從而提高輸出端電壓。圖10 調(diào)制原理圖 圖11工作波形（1）脈沖產(chǎn)生電路工作原理：當接通電源以后，因為電容上的初始電壓為零，所以輸出為高電平，并開始經(jīng)電阻 r1 向電容c1充電。當充到輸入電壓為觸發(fā)器的正門限電壓時，輸出跳變?yōu)榈碗娖?，電容又?jīng)電阻 r2 開始放電。當放電至觸發(fā)器的負門限電壓時，輸出電位又跳變?yōu)楦唠娖?，電?c1 重新開始充電。如此周而復始，電路不停的振蕩。通過調(diào)節(jié)電阻，電容的值可以改變振蕩周期。同時可以改變 r1 和r2的比值來改變占空比。電路如下所示：圖12 電路圖圖13 波形圖（2）放大驅(qū)動電路采用達林頓管進行放大。（3）信號隔離采用光耦 tlp5211進行電器隔離。5.保護電路的設計（1）過電壓保護所謂過電壓保護，即指流過igbt兩端的電壓值超過igbt在正常工作時所能承受的最大峰值電壓um都稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，因而，下面介紹直流斬波電路主電路的過電壓保護方法。電路如下圖14所示： 圖 14 保護電路（2）過電流保護 所謂過電流保護，即指流過igbt的電壓值超過igbt在正常工作時所能承受的最大峰值im都稱為過電流。這里采用圖15所示的電路 圖15 過電流保護（3）.igbt的保護 a. 靜電保護 igbt的輸入級為mosfet，所以igbt也存在靜電擊穿的問題。防靜電保護極為必要。在靜電較強的場合，mosfet容易靜電擊穿，造成柵源短路。采用以下方法進行保護：應存放在防靜電包裝袋、導電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時，應拿器件管殼，而不要拿引線。工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時電烙鐵功率應不超過25w，最好使用12v24v的低電壓烙鐵，且前端作為接地點，先焊柵極，后焊漏極與源極。在測試mosfet時，測量儀器和工作臺都必須良好接地，mosfet的三個電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓，改換測試范圍時，電壓和電流都必須先恢復到零。 b.過電流保護igbt過電流可采用集射極電壓狀態(tài)識別保護方法，電路如圖16所示： 圖 16 集射極電壓狀態(tài)識別保護電路c.短路保護 圖 17 短路保護電路(4).緩沖電路 緩沖電路（吸收電路）的作用主要是抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。這里采用由r lc組成的電路來吸收電壓、電流，如圖18：圖18 緩沖電路6、matlab仿真6.1 matlab仿真簡介 matlab 是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab的優(yōu)勢如下：（1） 友好的工作平臺和編程環(huán)境；（2）簡單易用的程序語言；（3） 強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力； （4） 出色的圖形處理功能； （5） 應用廣泛的模塊集合工具箱； （6） 實用的程序接口和發(fā)布平臺； （7） 應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）。6.2 主電路的仿真1.按原理圖在matlab中搭建模塊，搭建好的模型圖如下：圖19 仿真模型圖2調(diào)試與結(jié)果（a）. 調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比為10%，得出輸出電流和電壓（圖20）及其波形如下所示圖20 占空比10%波形（b）. 調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比為20%，得出輸出電流和電壓（圖21）及其波形如下所示：圖21 占空比20%波形（c）. 調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比為30%，得出輸出電流和電壓（圖22）及其波形如下所示：圖22占空比30%波形（d）. 調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比為40%，得出輸出電流和電壓（圖23）及其波形如下所示：圖23占空比40%波形（e）. 調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比為50%，得出輸出電流和電壓（圖24）及其波形如下所示：圖24 占空比50%波形（f）.設定占空比為70%,得出輸出電流和電壓（圖25）及其波形如下所示：圖25占空比70%波形（g）. .設定占空比為90%,得出輸出電流和電壓（圖26）及其波形如下所示: 圖26占空比90%波形7、portel原理圖及pcb圖的繪制7.1 protel簡介 protel：protel是portel公司在80年代末推出的eda軟件，在電子行業(yè)的cad軟件中，它當之無愧地排在眾多eda軟件的前面，是電子設計者的首選軟件，它較早就在國內(nèi)開始使用，在國內(nèi)的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開設了課程來學習它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用protel。早期的protel主要作為印制板自動布線工具使用，運行在dos環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286機的1m內(nèi)存下就能運行，但它的功能也較少，只有電原理圖繪制與印制板設計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的protel已發(fā)展到protel99（網(wǎng)絡上可下載到它的測試板），是個龐大的eda軟件，完全安裝有200多兆，它工作在windows95環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)，它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有client/server （客戶/服務器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如orcad，pspice，excel等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度pcb的100布通率。在國內(nèi)protel軟件較易買到，有關protel軟件和使用說明的書也有很多，這為它的普及提供了基礎。7.2 portel原理圖設計 在原有主電路、驅(qū)動電路、緩沖電路的基礎上，portel原理圖中還添加了電氣隔離環(huán)節(jié)，將驅(qū)動電路與主電路進行隔離。portel原理圖如下圖所示：圖27 portel原理圖7.3 pcb印刷電路板設計1.設計步驟如下：（1）準備電路原理圖和網(wǎng)絡表： 根據(jù)設計要求設計電路原理圖，并繪制原理圖，然后由該原理圖文件生成相應的網(wǎng)絡表。對于相當簡單的電路圖，也可以直接進行印制電路板設計。 （2）規(guī)劃印制電路板： 在設計電路板之前，要對電路板有個初步的規(guī)劃，主要包括電路板的選擇，采用幾層電路板、板材的物理尺寸、各元件的封裝形式等，這是一項相當重要的工作，是電路板設計的框架。 （3）設置參數(shù)： 設置參數(shù)包括設置元件的布置參數(shù)、板層參數(shù)和布線參數(shù)等。大多數(shù)情況下，可以直接使用系統(tǒng)的默認值，參數(shù)設置是一次性完成的，在后續(xù)的設計工作中很少需要修改。 （4）加載網(wǎng)絡表和元件封裝： 網(wǎng)絡表是自動布線的基礎，是連接原理圖和印制電路板的紐帶。只有加載了網(wǎng)絡表和元件封裝后，電路板的自動布線才能完成。 （5）元件布局： 規(guī)劃電路板并導入網(wǎng)絡表后，通過執(zhí)行命令，系統(tǒng)將自動裝入元件并將元件布置在電路板邊框內(nèi)。元件布局可以由系統(tǒng)自動完成，然后進行手工調(diào)整布局，布局合理后才能進行下一步的布線工作。元件布局是印制電路板設計中比較花費精力的一個步驟，需要設計者有足夠的耐心。 （6）自動布線： protel dxp 2004中自動布線的功能相當強大，只要把有關參數(shù)設置得適當，元件布局合理，系統(tǒng)就會根據(jù)設置的規(guī)則選擇最佳的布線策略進行自動布線，成功率幾乎100%。 (7)手工調(diào)整： 自動布線雖然成功率很高，但往往存在不滿意的地方，這時就需要進行手工調(diào)整，以滿足設計要求。 (8)drc檢查： 布線完成后，為了確保pcb板符合設計規(guī)則、所有的網(wǎng)絡連接正確，必須對電路板進行設計規(guī)則檢查（drc）。 (9)保存及打印輸出： 完成布線后，可以將完成的印制電路板文件保存到磁盤，利用輸出設備如打印機等，輸出電路板的布線圖。2、印刷電路板如下圖所示圖28 印刷電路板8.心得體會每次做課程設計我們都感覺入手比較困難，因為它首先要求你對所學的知識都要弄懂，并且能將其聯(lián)系貫穿起來，因此課程設計是綜合性比較強的。這次的電力電子課程設計是我做的最辛苦的一次，主要的原因是老師的要求十分的高，其次就是，這次試驗要求我們學習兩個從來就沒有接觸過的軟件