電力電子裝置設計與制作——降壓斬波電路的設計

1、電力電子裝置設計與制作成績評定表姓 名學號專業(yè)班級題目：電力電子裝置設計與制作答辯記錄：1、 電路中二極管起什么作用？不要行不行？ 答：二極管起續(xù)流的作用，不要肯定不行。 2、你選用何種驅動電路？你選用驅動電路的理由是什么？  答：IGBT的驅動電路；動態(tài)驅動能力強，能向IGBT提供適當?shù)恼驏艠罚陉P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，有足夠的輸入輸出電隔離能力，具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿，輸入輸出信號傳輸無延時，人電感負載下，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

2、。成績評定及依據(jù)：1. 課程設計考勤情況（20%）：2. 課程設計答辯情況（30%）：3. 完成設計任務報告規(guī)范性（50%，其中直流系統(tǒng)部分占60%，交流部分占40%）：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）： 指導教師簽字： 電力電子裝置設計與制作課程設計任務書 20142015學年第一學期學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作部門： 一、課程設計題目：電力電子裝置設計與制作二、課程設計內容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進行電路設計，在Protel或OrCAD軟件上進行原理圖繪制；滿足設計要求后，再進行硬件制作和調試。如實驗結果不滿足要求，則修改設計，直到滿足要求為止。設計題目：開

3、關直流降壓電源（BUCK）設計主要技術指標：1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在8-18V之間。3）輸出直流電壓5-16V，輸出電壓紋波小于2%。4）輸出電流1A。 5）采用脈寬調制PWM電路控制。三、進度安排序號名 稱時 間1下發(fā)設計任務書，布置設計任務和設計要求、設計時間安排。一 天2掌握鋸齒波產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、控制電路的工作原理一 天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半 天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細連接圖一 天5學會借用電子線路CAD正確繪制電路圖；一 天6掌握焊接技術以及MOSFET、二極管、三極管等器件的檢測方法半 天7掌握電路的安裝與調試一 天8根據(jù)直

4、流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設計電路圖一 天9了解電子電路板的制作過程半 天10學習電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半 天11掌握穩(wěn)壓開關電源的檢測與調試一 天12書寫課程設計報告一 天四、基本要求1、獨立設計原理圖各部分電路的設計；2、制作硬件實物，演示設計與調試的結果。3、寫出課程設計報告。內容包括電路圖、工作原理、實際測量波形、調試分析、測量精度、結論和體會。4、寫出設計報告：不少于3000字，統(tǒng)一復印封面并用4紙寫出報告。封面、課程設計任務書摘要，關鍵詞（中英文）方案選擇，方案論證系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）各模塊的功能，原理，器件選擇實驗結果以及分析設計小結附錄-參考文

5、獻 摘 要 隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多。電子設備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。開關電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設備中得到廣泛的應用。伴隨著人們對開關電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關電源成為研究趨勢。 開關電源分為AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 變換已實現(xiàn)模塊化，其設計技術和生產(chǎn)工藝已相對成熟和標準化。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。 BUCK降壓斬波電路就是直流

6、斬波中最基本的一種電路，是用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位。所以用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。 BUCK降壓斬波電路由于易驅動，電壓、電流容量大在電力電子技術應用領域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。關

7、鍵詞：電力電子、AC/DC、IGBT、MOSFET AbstractWith the rapid development of power electronic technology, the electronic system is more and more widely used, the types of electronic devices are more and more. The miniaturization of electronic equipment and the low cost of the power supply to the light, thin, sma

8、ll and high efficiency direction. Switching power supply because of its small volume, light weight and high efficiency has been widely used in various types of electronic information equipment. Along with the people to further upgrade, switching power supply of low voltage, high current and high eff

9、iciency switching power supply has become a research trend.Switching power supply is divided into AC/DC and DC/DC, wherein DC/DC transform has realized modules, the design technology and production technology has been relatively mature and standardized. DC/DC transform is that the DC voltage convers

10、ion fixed into a variable DC voltage, also known as DC chopper. Chopper circuit is mainly used for power electronic circuits, and also can be DC motor drive or take the battery load etc.One of the most basic circuit BUCK buck chopper circuit is DC chopper, is to use BUCK as a step-down chopper circu

11、it of full controlled devices, used for Buck DC to dc. IGBT is a composite device MOSFET and bipolar transistor. It has both the characteristic of MOSFET is easy to drive, and has the advantages of power transistor voltage, large current capacity etc. Between the frequency characteristics between MO

12、SFET and power transistors, can work normally in the tens of thousands of Hz frequency range, so the application in high frequency power, in the occupied the dominant position. So the use of BUCK as a buck chopper circuit of full controlled devices have advantages of easy drive IGBT, voltage, large

13、current capacity.BUCK buck chopper circuit due to easy driving, voltage, large current capacity has broad prospects for development in the field of application of power electronic technology, but also because of the switching power supply to the low voltage, high current and high efficiency of the t

14、rend of development, promote the development of IGBT buck chopper circuit.Keywords: power electronics, AC/DC, IGBT, MOSFET目 錄1方案選擇與論證11.1基本要求11.2方案選擇11.3方案論證11.3.1 總方案的設計與論證11.3.2 控制芯片的選擇11.3.3 隔離電路的選擇22 系統(tǒng)功能及原理22.1 系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖22.2基本電路32.3主電路32.4控制電路53 主電路計算及器件選擇63.1 儲能電感的選擇63.2 濾波電容的選擇63.3 續(xù)流二極管的選

15、擇73.4 MOSFET的選擇74 控制電路計算及器件選擇84.1 電源管理芯片TL4948 4.1.1 TL494 芯片主要特征84.1.2 TL494 工作原理簡述84.1.3 TL494脈沖控制85電路圖與產(chǎn)品工藝95.1開關直流降壓電源電路原理圖95.2 元器件清單106.實驗結果與分析116.1.電路焊接實物116.2實驗調試116.3 實驗結果12小結12參考文獻131 方案選擇與論證開關電源是利用現(xiàn)代電子電力技術控制功率器件（MOSFET、三極管等）的導通和關斷時間來穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點。1.1基本要求輸入直流8V-10V，

16、輸出5V，輸出電壓紋波小于2%。輸出電流1A。取開關振蕩頻率為20KHz。1.2方案選擇采用MOSFET作為功率轉換元件，MOSFET具有壓降小，輸入電阻高，動態(tài)特性好等特點。控制方案采用TL494CJ脈沖寬度調制芯片，極大地簡化電路設計，而且該芯片是一種功能非常完善的PWM驅動電路芯片，適用于多數(shù)電路，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有很大的現(xiàn)實意義。1.3方案論證1.3.1 總方案的設計與論證方案一：LDO也就是低壓差線性穩(wěn)壓管來設計電路。其優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定，噪音小，所以外部電路比較簡單。缺點是輸入和輸出電壓不可以很大，效率比較低，其負載電流相對比較小。方案二：使用BUCK型轉換器。優(yōu)點是負載電流

17、大，效率高，發(fā)熱小。缺點是通過MOS管的開關來實現(xiàn)電源的轉換，所以其紋波比較大，噪音大，需要很多電容為其濾波，并且開關過程中會產(chǎn)生干擾信號。綜合我們的設計目的，需要大負載，大壓差，高效率，小發(fā)熱的電路。故優(yōu)選BUCK型電路。1.3.2 控制芯片的選擇方案一：選擇MC34063控制芯片。該器件本身包含了DCDC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開關電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構成的DCDC變換器僅用少量的外部元器件。主要應用于以微處理器(MPU)或單

18、片機(MCU)為基礎的系統(tǒng)里。方案二：采用TL494芯片。它是一種固定頻率脈寬調制電路，主要為開關電源電路而設計，在開關電路中比較常見。綜合對芯片的熟悉程度以及考慮到本次設計是比較小的手工制作電路，所以選擇方案二最為合宜。1.3.3 隔離電路的選擇方案一：采用光耦隔離的優(yōu)點是：占空比任意可調；隔離耐壓高；抗干擾能力強，另外，光耦屬電流型器件，對電壓性噪聲能有效地抑制；傳輸信號范圍從DC到數(shù)MHz,其中線性光耦尤其適用于信號反饋。 其缺點是：在全橋拓撲中，開關器件為4個，需34個光耦，而每一光耦都需獨立電源供電，增加了電路的復雜性，成本增加，可靠性降低；因光耦傳輸延遲較大，為保證開關器件開通與關

19、斷的精確性，必須使各路的結構參數(shù)一致，使各路的延遲一致，而這往往難以做得很好； 光耦的開關速度較慢，對驅動脈沖的前后沿產(chǎn)生較大延時，影響控制精度。方案二：采用推挽式放大電路進行隔離。這是一種常用的隔離方式，對于小型手工電路板來說性價比比較高，而且很方便。綜合二者性能，本次設計選擇方案二。2 系統(tǒng)功能及原理2.1 系統(tǒng)總體框圖及電路原理圖圖2-1系統(tǒng)總體框圖圖2-2 開關直流降壓電源電路原理圖2.2基本電路開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖2-3所示。 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流

20、濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?       控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。  圖2-3 開關電源的組成開關電源中調整管工作在開關方式，只有導通和截止兩個狀態(tài)。當輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準電壓進行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關管的輸入信號，使

21、調整管導通和截止時間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。2.3主電路本次課程設計中采用降壓式開關電源（BUCK）。降壓式開關電源的典型電路如圖2-4所示。圖2-4 降壓式開關電源降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖如上所示。該電路使用MOS管作為開關。在上圖中，為在V關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。若負載中無反電動勢時，只需令Em=0。電路的工作波形如下所示：圖2-5. 電流連續(xù)時波形圖由圖6中的V的柵射電壓波形可知，在t=0時

22、刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。當t=時刻，控制V關斷，負載電流經(jīng)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。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串接L值很大的電感。至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作與穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為 ；式中， ton 為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比。由此式知，輸出到負載的電壓平均值U0最大為E，若減小占空比，則U0隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。負載電流的平均值為 ，若負載中的L值較小，則在V關斷后，到

23、了時刻，如圖7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U0平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)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：保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間，稱為脈沖寬度調制（PWM方式）。保持開關導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調制。和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。本次設計電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。圖2-6. 電流斷續(xù)時波形以上的電壓電流關系還可以從能量傳遞關系簡單地推得。由于L為無窮大，故負載電流維持為I0不變。電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為。從負載看，在整個周期T中負載一直在消耗能

24、量，消耗的能量為。一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即：則：與上述結論一致。在上述情況中，均假設L值為無窮大，且負載電流平直。在這種情況下，假設電源電流平均值為，則有：其值小于等于負載電流，由上式得即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。2.4控制電路 圖2-7 控制電路圖芯片14腳輸出基準電壓通過電阻分壓進入15號腳作來與16號反饋信號進行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號即16號腳，與15號腳的基值進行比較，從面調節(jié)8號腳和11號腳輸出的脈沖信號的占空比，從而達到調節(jié)MOS管的開通與關斷的頻率與時間，最終實現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電

25、壓值。本次設計選擇輸入9V，輸出5V。3 主電路計算及器件選擇MOSFET開關管和二極管D構成最基本的降壓變換電路。輸出電路采用LC電路,當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關管截止時，由于電感上的電流不能突變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，此時續(xù)流二極管導通，構成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。要求紋波輸出電壓紋波小于2%，輸出電流1A。 3.1 儲能電感的選擇已知輸入電壓最大為10V，開關頻率為20KHz，輸出電壓為5V，電流為1A。FS=1/TS。在電感充放電一個周期內：得 開通時 對于BUCK電路，開通時， D=Uo/Ui=5/9=0.56所以 IL取1A故計

26、算得出 L56u H 取1.2L=67 u H 因此，選擇滿足條件，價格便宜的100u H.的線圈電感5026. 線圈匝數(shù)計算：有公式： N=LIm/(BnAe)且 Im=ITP=IL+0.5 i代入電感的已知參數(shù)，得N=103.2 濾波電容的選擇輸出電容C并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻（ESR）、串聯(lián)電感（ESL）與純電容C的串聯(lián)。對于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來決定。由于要求電壓波紋不大于2%，又有： V0/VO=1/2¶2(C/ S)2(1-D) 2%,又：C=1/(2¶(LC)1/2)即要求C=1/（4¶2L C2）所以，經(jīng)計算，應選擇

27、25V，2200uF的電解電容。3.3 續(xù)流二極管的選擇根據(jù)Buck變換器的工作原理，開關截止時，續(xù)流二極管導通，電感儲能轉化為電能，二極管起到續(xù)流作用.續(xù)流二極管需要滿足一下要求：l 二極管正向額定電流需大于負載電流；l 耐壓值大于輸入電壓；l 截止到導通時間盡量短，應選擇正向電流不小于1A的超快恢復二極管。同時，要考慮其經(jīng)濟性，此處價格較為低廉的HER101，最短恢復時間為500ns。3.4 MOSFET的選擇開關管的峰值電流為： 開關管的耐壓值為： 根據(jù)要求選取IRF9Z24N型MOSFET。相關資料如下 實物圖 引腳圖 參數(shù) 切換時間電路測試 切換時間波形4 控制電路計算及器件選擇4.

28、1 電源管理芯片TL494 TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。 4.1.1 TL494 芯片主要特征·集成了全部的脈寬調制電路·內置主從振蕩器·內置誤差放大器·內置5.0V參考基準電壓源·可調整死區(qū)時間·內置功率晶體管可提供最大500mA的驅動能力·輸出可控制推拉電路或單端電路圖3-1 TL494芯片內部電路·欠壓保護 4.1.2 TL494 工作原理簡

29、述TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調節(jié)，其振蕩頻率計算公式為：輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1 和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。 4.1.3 TL494脈沖控制控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出

30、端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（03.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結構，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸

31、出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當需要更高的驅動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。確定震蕩電路的RT和CT：由資料：其中，取震蕩頻率fs=20kHz. 取定時電阻的典型RT=4.7K歐姆，由。.可計算得，CT=0.012u

32、 F。5電路圖與產(chǎn)品工藝5.1開關直流降壓電源電路原理圖5.2 元器件清單 BUCK電路元器件清單見下表：BUCK電路元器件清單名稱封裝數(shù)量接線端子P-5.042FR107DIODE-0.41環(huán)形電感1.5MH12200UF電解電容1103瓷片3103電位器1501電位器1470電阻DIODE-0.414.7K電阻233K電阻1470K電阻11K電阻347歐18050三極管18550三極管1100歐1TL494DIP1DIP16 IC座1萬用板7*91 IRF9Z24NTO2201TO220散熱片TO22016.實驗結果與分析6.1.電路焊接實物電路焊接實物照片，見圖6-1. 正面 反面圖6-1 電路焊接實物照片6.2實驗調試檢查電路焊接無錯誤后開始進行調試