【文章內(nèi)容簡介】 ??????????????????????????1111 o ffM10REeeemREeeeREITTt???????? ? ??????????????????????????????11onM20REmeeREREeeI Tt ???????? ????????????? ??? 1111 M//101?????REmeeREREeeI Tt ???????? ????????????? ????????????1111 M//201?? /T? EEm /M?? ? REmII ???? 2021? ? R EEREmI o ?? ???? ME?mmett????11lnonx?? 第 12 頁 共 45 頁 12 （ 221） 對于電路的具體工作情況，可根據(jù)此式判斷負載電流是否連續(xù)。 升降壓斬波電路 升 降 壓斬波電路（ BoostBuck Chopper）的原理圖及工作波形如圖 3 所示 ： 圖 3 升降壓斬波電路及其波形 a）電路圖 b）波形 首先設 L 值很大， C 值也很大。使 電感電流 Li 和電容電壓即負載電壓基本為恒值。 基本工作原理： V 通時，電源 E 經(jīng) V 向 L 供電使其貯能，此時電流為 1i 。同時，電容 C 維持輸出電壓 0U 恒定并向負載 R 供電。 V 斷時， L 的能量向負載釋放，電流為 2i 。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。 穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 內(nèi)電感 L 兩端電壓 Lu 對時間的積分為零，即 （ 31） 當 V 處于通態(tài)期間， Lu = E；而當 V 處于斷態(tài)期間， Lu = 0U 。于是： （ 32） 所以輸出電壓為： （ 33） 改變導通比 ? ，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當 0? 1/2 時為降壓，當 1/2? 1 時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。也有文獻直接按英文稱之為 buckboost 變換器（ BuckBoost Converter） 圖 3b)中給出了電源電流 1i 和負載電流 2i 的波形，設兩者的平均值分別 為 1I 和 2I ，當電流脈動足夠小時，有 ? ?T tu0 L 0doffoon tUtE ???EEtT tEttU ??????? 1ononof fono2o1 IUEI ?VDotb)ERLa)CVoti1i2uL uoILi1i2tonto f fILIL???????? eem 11 第 13 頁 共 45 頁 13 （ 35） 上式可得： （ 36） 如果 V、 VD 為沒有損耗的理想開關(guān)時，則 （ 37） 其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。 Cuk 斬波電路 圖 4 所示為 Cuk 斬波電路的原理圖及其等效電路 。 V 通時， E 1L V 回路和 EL1C— VD 回路分別流過電流； V 斷時， E 1L C— VD 回路和 R— 2L VD 回路分別流過電流；輸出電壓的極性與電源電壓極性相反；等效電路如圖 4b 所示，相當于開關(guān) S 在 A、 B兩點之間交替。 圖 4 Cuk 斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路 穩(wěn)態(tài)時電容 C 的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，也就是其對時間的積分為零，即 （ 41） 在圖 4b 的等效電路中，開關(guān) S 合向 B 點時間即 V 處于通態(tài)的時間 ont ，則電容電流和時間的乘積為 2I ont 。開關(guān) S 合向 A 點的時間為 V 處于斷態(tài)的時間 oft ，則電容電流和時間的乘積為 1I oft 。由此 可得： （ 42） 從而可得： （ 43） 當電容 C 很大使電容電壓 GU 的脈動足夠小時，輸出電壓 Uo 與輸入電壓 E 的關(guān)系可用以下方法求出。當開關(guān) S 合到 B 點時， B 點電壓 BU =0， A 點電壓 AU = CU ；相反，當 S 合到 A 點時 ， BU = CU ， AU =0。因此， B 點電壓 BU 的平均值為 （ CU 為電容電壓 C 的平均值），又因電感 L1 的電壓平均值為零，所以 另一方面， A 點的電壓平均值為 ，且 L2 的電壓平均值為零，按圖 4b 中輸出電壓 0U 的極性，有 。 offon21 ttII ?112 1 IIttI ????? onof fE RVDa)CV Rb)CB ASEL1L2uoi1L1L2 i2uCuAuBuo? ?T ti0 C 0doff1on2 tItI ???????? 1on ononof f12 t tTttIICB UTtU off?CB UTtUE off??CA UTtU on??CUTtU ono ? 第 14 頁 共 45 頁 14 于是可得出輸出電壓 0U 與電源電壓 E 的關(guān)系： （ 44） 3 本設計的總體方案 用單片微控制器 MCU 為控制核心，以電力電子器件 IGBT 為主電路關(guān)鍵器件，完成直流斬波器的完整電路設計，包括控制程序設計、電力電子器件驅(qū)動、信號隔離、電磁兼容等 。 指標要求： ? 輸入電壓范圍；直流 200V350V ? 輸出電壓為：直流 24V177。 1V ? 輸出功率最大為： 120W 本設計總體框圖及各部分功能 本設計總體框圖如 圖 5 所示，系統(tǒng)分為五部分：主電路（斬波開關(guān)電路、低通濾波電路、續(xù)流電路）、控制電路（過電流和過電壓報警電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電壓采樣電路、復位電路、時鐘信號電路）、信號隔離與驅(qū)動電路、電源電路 [6]。主電路即直流斬波電路把輸入的 200V350V 的直流電壓變?yōu)橹绷?24V 電壓穩(wěn)定輸出；控制電路實現(xiàn)變換器的實時控制 ， 綜合給定和反饋信號 ,微控制器處理后為斬波開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號和保護功能；信號隔離驅(qū)動電路完成信號的隔離和為斬波開關(guān)器件提供脈沖驅(qū)動信號；電壓采樣電路采集電壓信號，輸出電壓模擬量，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換成微控制器能處理的數(shù)字量；電流保護電路防止系統(tǒng)過電流而損壞器件；低壓電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 5V 工作電壓；低通濾波電路由電感和電容組成，起到濾波的作用，減低輸出紋波，使輸出穩(wěn)定；續(xù)流電路的作用為：當斬波開關(guān)關(guān)閉時，電路中電流能連續(xù)流過負載。 圖 5 系統(tǒng)框圖 主電路形式及控制算法 根據(jù)設計任務的要求：主電路輸入直流電壓為 DC200V— 350V，輸出電壓（穩(wěn)壓）為 DC24V，所以擬采用降壓直流斬波電路。 降壓直流斬波電路可以分為 隔離型 降壓直流斬波電 路和非隔離型 降壓直流斬波路。隔 離型 降壓直流斬波電 路的 能量 輸出是由高頻變壓器藕合完成的，該變壓器 可以使斬波器的輸入電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離； 非隔離型 降壓直流斬波路 在工作期間輸入 源和斬波開關(guān) 隔離驅(qū)動動 PFM 信號 微控制器 過電流信號 電壓采樣 A/D 低通濾波 低壓電源 續(xù)流 EEtT tEttU ??????? 1ononof fonoDC 輸出 第 15 頁 共 45 頁 15 輸出負載共用一個共同的電流通路。根據(jù)任務要求，本設計選擇非隔離型 DCDC 斬波器 。 主電路如圖 9 所示，主電路由濾波電容 1C 和 2C 、續(xù)流二極管 5D 、斬波開關(guān)器件 V（ IGBT）、濾波電感 L 組成。 系統(tǒng)的控制核心為微控制器，由于控制新芯片的指令執(zhí)行速度是一定的，其輸出脈沖最小寬度受到限制，因此在控制算法 — 調(diào)整占空比的實施中擬采用保持脈沖寬度不變，而調(diào)整脈沖周期的做法。即斬波開關(guān)的導通時間 ont 不變，當輸出電壓高于 24V 時，把斬波開關(guān)的關(guān)斷時間 oft 增大；當輸出電壓低于 24V 時，把開關(guān)的關(guān)斷時間 oft 減小。根據(jù)降壓斬波的公式： ， 可見輸出電 壓 0U 同樣得到控制。 IGBT 的性能、參數(shù) [1][4] 在主電路中，斬波開關(guān)是至關(guān)重要的部件，承受著高壓、大電流，因此有必要對該器件的性能、參數(shù)作出描述：在電力電子器件家族中， GTR 和 GTO 是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導調(diào)制效應，所以其通流能力很強，但開關(guān)速度低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。而電力 MOSFET 是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。將這兩類器件相互取長補短適當結(jié)合和成的復合器件，形 成了 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。 (1) IGBT 的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 6 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)端面示意圖 b)簡化等效電路 c)電氣圖形符號 IGBT 也是三端器件，具有柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E。圖 6a)給出了一種 N 溝道 VDMOSFET 與 雙極型晶體管結(jié)合而成的 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)。它比 VDMOSFET 多一層 P? 注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的 P? N 結(jié) J1。這樣使得 IGBT 導通時由 P? 注入?yún)^(qū)向 N 基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得 IGBT 具有很強的通流能力。其簡化等效電路圖如圖 7b)所示，可以看出這是用 雙極型晶體管和 MOSFET 組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相當于一個由 MOSFET 驅(qū)動的厚基區(qū) PNP 晶體管。圖中 NR 為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。因此， IGBT 的驅(qū)動原理與電力 MOSFET 基本相同，它是一種場控器件。EETtEtt tU ????? onof fon ono 第 16 頁 共 45 頁 16 其開通和關(guān)斷是由 晶體管 柵極和發(fā)射極間的電壓 GEu 決定的，當 GEu 為正且大于開啟電壓 )(thGEU 時， MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為 晶體管提供基極電流進而使 IGBT 導通。由于前面提到的電導調(diào)制效應，使得電阻 NR 減小，這樣高耐壓的 IGBT 也具有很小的通態(tài)壓降。當 柵極和發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時， MOSFET 內(nèi)的溝道消失， 晶體管的基極電流被切斷，使得 IGBT 關(guān)斷。 以上所述 PNP 晶體管與 N 溝道 MOSFET 組合而成的 IGBT 稱為 N 溝道 IGBT，記為 NIGBT，其電氣圖形符號如圖 6c)所示。相應的還有 P 溝道 IGBT，記為 PIGBT。 （ 2） IGBT 的基本特性 IGBT 的靜態(tài)特性。圖 7（ a）所示 為 IGBT 的 轉(zhuǎn)移特性 ，它描述的是集電極電流 CI 與柵極電壓 GEU 間的關(guān)系，與 MOSFET 轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓 )(thGEU 是 IGBT 能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓 。 )(thGEU 隨溫度升高而略有下降 ，溫度每升高 1℃，其值下降 5mV 左右。 在 +25176。C 時， )(thGEU 的值一般為 2— 6V。 圖 7 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性 圖 7b）所示 為 IGBT 的 輸出特性（伏安特性） ，它描述的是 以 )(thGEU 為參考變量時， CI與 GEU 間的關(guān)系。 IGBT 的 輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。 這分別與 GTR（電力晶體管） 的截止區(qū)、放大區(qū)和 飽和區(qū)相對應。 GEu 0 時， IGBT 為反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中