【文章內容簡介】 小功率電力電子設備的主導器件。 直流斬波器根據其輸入和輸出電壓的大小可以分為降壓式直流斬波器和升壓式直流斬波器的兩類。若直流斬波器的輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式 (Buck )直流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源電壓高，則稱為升壓式 (Boost) 直流斬波器 [4]。 因此本課題選擇的設計方案是直流降壓斬波電路。 直流 斬波器 原理 直流斬波電路 （ DC Chopper） 的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調的直流電，也稱為直流 直流變換器 （ DC/DC Converter） ，直流斬波電路 （ DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流 交流 直流的情況。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計 （論文） 4 直流 斬波電路包括三個部分電路模塊。 a. 主電路模塊。 主 要由全控器件 IGBT 的開通與關斷的時間占空比來決定輸出電壓 u。的大小。 b. 控制電路模塊。 控制電路 模塊，可用 SG3525 來控制 IGBT 的開通與關斷。驅動電路模塊，用來驅動 IGBT 控制電路是用來產生 降壓斬波電路 的控制信號，控制電路產生的控制信號傳到驅動電路，驅動電路把控制信號轉換為加在開關控制端，可以使其開通或關斷的信號。通過控制開關的開通和關斷來控制 降壓斬波電路 的主電路工作。 c. 驅動電路模塊。 EXB841 驅動芯片來實現也可以直接用光耦電路進行 驅動。 主電路模塊由全控器件 IGBT 的開通與關斷的時間占空比來決定輸出電壓 u。的大小?？刂齐娐纺K， ，它簡單可靠及使用方便靈 活 。 全控 器件 IGBT 簡介 IGBT 是新一代的電力電子器件，兼有功率 MOSMET 的高速度和功率晶體管飽和壓降低、功率大的優(yōu)點。由 IGBT 構成的斬波器具有電路簡單 、易于調試和設計，成本低，可靠性高，容量范圍大，頻率高，無靜態(tài)噪音，輸出電流 (電壓 )調節(jié)精度高等優(yōu)點，在實際應用中有非常廣泛的應用，特別是在需要用電池等直流電源進行調節(jié)的時候，有著不可替代的作用 [5]。 直流斬波器的基本 原理 直流斬波器乃利用功率組件對固定電壓之電源做適當之切割以達成負載端電壓改變之目的。若其輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式 (Buck )直 流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源電壓高，則稱為升壓式 (Boost)直流斬波器； 本方案選擇的是直流降壓斬波器 圖 所示為直流斬波器基本電路圖，圖 所示為負載電壓波形， 圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計 （論文） 5 圖 可看出當直流斬波器導通 (Ton )時，負載端之電壓 Vo 等于電源電壓 Vs；當直流斬波器截止 (Toff)時，負載端之電壓 Vo 為 0。如此適當的控制直流斬波器可使直流電源斷續(xù)的出現在負載側，只要控制直流斬波器的導通時間，即可改變負載的平均電壓 [6]。 3 直流降壓斬波器設計 6 3 直流降壓斬波器設計 主電路設計方案 根據所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據所學的 buck 降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結構。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡單的電路復雜化，不可取。至于開關的選擇，選用比較熟悉的全控型的 IGBT 管，而不選半控型的晶閘管，因為 IGBT 控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關速度快、驅動電路簡單等特點， 又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。 主電路基本電路圖 主電路基本電路圖如圖 所示 圖 直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導通。用控制電路和驅動電路來控制 IGBT 的通斷，當 t=0 時，驅動 IGBT 導通，電源 E向負載供電，負載電壓 U0=E，負載電流 io按指數曲線上升。 主電路電流電壓分析 直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導通。用控制電路和 驅動電路來控制 IGBT 的通斷，當 t=0 時，驅動 IGBT 導通，電源 E 向負載供電，負載電壓 0u =E，負載電流 0i 按指數曲線上升。電路工作時波形圖如圖 所示 西安工業(yè)大學北方信息工 程學院 畢業(yè)設計 （論文） 7 圖 當 t=t1時刻，控制 IGBT 關斷，負載電流經二極管 Vd 續(xù)流，負載電壓 0u近似為零，負載電流指數曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯L 值較大的電感。 至一個周期 T 結束，再驅動 IGBT 導通，重復上一周期的過程。當電力工作于穩(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 U0＝ t1E/T=t1E/（ t1+t2）α E ton為 IGBT 處于通態(tài)的時間； toff為處于斷態(tài)的時間； T 為開關周期；α為導通占空比。 通過調節(jié)占空比α使輸出到負載的電壓平均值 U0 最大為 E，若減小占空比α，則 U0隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值 Uo 最大為 Ui，若減小占空比α，則 Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路 [7]。 控制電路模塊設計 控制電路需要實現的功能是產生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調節(jié)達到控制輸出電壓大 小的目的。 斬波電路控制方式： 斬波電路有三種控制方式 : a. 保持開關周期 T 不變，調節(jié)開關導通時間 ton，稱為脈沖寬度調制或脈沖調寬型； b. 保持導通時間不變，改變開關周期 T，成為頻率調制或調頻型； T 都可調，是占空比改變，稱為混合型 [8]。 西安工業(yè)大學北方信息工 程學院 畢業(yè)設計 （論文） 8 因為斬波電路有這三種控制方式，又因為 PWM 控制技術應用最為廣泛，所以采用 PWM 控制方式來控制 IGBT 的通斷。 PWM 控制就是對脈沖寬度進行調制的技術。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的 占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。 對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數字運算芯片如單片機、 CPLD 等等來輸出 PWM 波，也可以通過特定的 PWM 發(fā)生芯片來控制 [9]。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調，所以我選用一般的 PWM 發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。 SG3525 原理及功能 控制電路是以 SG3525 為核心構成 ,SG3525 為美國 Silicon General 公司生產的 ，它集成了 PWM 控制電路 ,采用恒頻脈寬調制控制方案 ,內部包含有精密基準源 ,鋸齒波振蕩器 ,誤差放大器 ,比較器 ,分頻器和保護電路等 .調節(jié) Ur 的大小 ,在 11,14 兩端可輸出兩個幅度相等 ,頻率相等 ,相位相差 , 占空比可調的矩形波 (即 PWM 信號 ).然后，將脈沖信號送往芯片 HL402，對微信號進行升壓處理，再把經過處理的電平信號送往 IGBT，對其觸發(fā)，以滿足主電路的要求 [10]。其內部電路結構 如圖 所示 圖 SG3525內部結構圖 內部結構簡介 西安工業(yè)大學北方信息工 程學院 畢業(yè)設計 （論文） 9 a. 基準電壓調整器 基準電壓調整器是輸出為 ， 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 1 16 腳短接，這時 5V電壓調整器不起作用。 b. 振蕩器 3525A 的振蕩器，除 CT、 RT 端外，增加了放電 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 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(jié)死區(qū)的時間，因此是重大改進。在 3525A 中增加了同步端 3 專為外同步用，為多個 3525A 的聯用提供了方便。同步脈沖的 頻率應比振蕩頻率 fs 要低一些。 c. 誤差放大器 誤差放大器是差動輸入的放大器。它的增益標稱值為 80dB，其大小由反饋或輸出負載決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在 ~，需要將基準電壓分壓送至誤差放大器 1 腳（正電壓輸出）或 2 腳（負電阻輸出）。 3524 的誤差放大器、電流控制器和關閉控制三個信號共用一個反相輸入端， 3525A 改為增加一個反相輸入端，誤差放大器與關閉電路各自送至比較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補償網絡工作精度的提高。 d. 閉鎖控制端 10 利用外部電路控制 10 腳電位，當 10 腳有高電平時，可關閉誤差放大器的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護等。 e. PWM 鎖存器 比較器（脈沖寬度調制）輸出送到 PWM 鎖存器。鎖存器由關閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復位。這樣，當關閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個周期的關閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復位為止。 另外，由于 PWM 鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期才能重新置 位，有利于可靠性提高。 f. 增設欠壓鎖定電路 電路主要作用是當 IC 塊輸入電壓小于 8V時，集成塊內部電路鎖定，停止工作（其準源及必要電路除外），使之消耗電流降到很?。s 2mA）。 g. 輸出級 西安工業(yè)大學北方信息工 程學院 畢業(yè)設計 （論文） 10 由兩個中功率 NPN 管構成，每管有抗飽和電路和過流保護電路，每組可輸出 100mA。組間是相互隔離的。電路結構改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個電平狀態(tài)中。為了能適應驅動快速的場效應功率管的需要，末級采用推拉式電路，使關斷速度更快。 11 端（或 14 端）的拉電流和灌電流，達 100mA。在狀態(tài)轉換中，由于存在開 閉滯后，使流出和吸收間出現重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖，其持續(xù)時間約 100ns。使用時 VC 接一個 f 電容可以濾去尖峰。 另一個不足處是吸電流時，如負載電流達到 50mA 以上時，管飽和壓降較高（約 1V） [11]。 SG3525 芯片引腳 SG3525 是一款專用的 PWM 控制集成電路芯片，它采用恒頻調寬控制方案，內部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等，其引腳圖如圖 所示 圖 SG3525 芯片引腳圖 SG3525A 系列脈寬調制器控制電路可以改進為 各種類型的開關電源的控制性能和使用較少的外部