直流斩波电路课程设计

直流斩波电路课程设计

目录

第一章方案的选择和电路的整体结构 (1)

1.1 方案的选择 (1)

1.2 电路的整体结构 (2)

第二章主电路的设计 (3)

2.1 主电路的原理 (3)

第三章驱动电路的设计 (4)

3.1 驱动芯片的选择 (4)

3.2 驱动芯片的介绍 (5)

3.3 驱动电路的设计 (6)

第四章控制电路的设计 (6)

4.1 控制电路的设计原理 (6)

4.2控制电路原理图 (7)

第五章保护电路的设计 (8)

5.1 IGBT的栅极保护 (8)

5.2 IGBT的集电极和发射极的保护 (9)

5.3 IGBT的过热保护 (10)

第六章结论 (10)

心得体会 (11)

附录：ATMEGA16设计源程序 (12)

参考文献 (14)

第一章方案的选择和电路的整体结构

1.1 方案的选择

1.1.1 主电路的选择

本次设计的内容是直流可调电源，目的是实现输出电源的可调节，有以下两种主电路的方案，现对这两种方案进行分析比较。

方案一：桥式全控整流电路

桥式全控直流电路采用四个晶闸管桥式连接，通过控制晶闸管的导通时间使得输出的平均电压降低，实现电压可调。

优点：可以直接用市电进行整流调节。

缺点：晶闸管属于半控器件，控制不灵活。输出电压不稳定，有波动。输入端与输出端进行隔离。

方案二：直流斩波电路

直流斩波电路属于DC-DC变换电路，通过控制电力电子器件IGBT或MOSFET 的通断时间来实现电压大小的可调节。

缺点：不能直接用市电进行设计，需要有恒定的直流电源。

优点：输入端与输出端不用进行隔离，IGBT和MOSFET为全控器件，可以随意的控制其开通或者关断，并且电路结构简单，容易实现。

综上所述，本次设计采用直流斩波电路为设计主电路，并且使用IGBT作为开关器件。

1.1.2 控制电路的选择

控制电路的功能是控制电力电子器件IGBT的通断，现有两种主电路的设计方案，现进行比较分析。

方案一：采用UC3842芯片

UC3842是一种PWM发生芯片，是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出单端输出单端输出单端输出可直接驱动可直接驱动可直接驱动可直接驱动IGBT。

方案二：采用ATMEGA16单片机

ATMEGA16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器，具有丰富的片内资源，能发出独立的PWM信号，通过改变寄存器的值来改变输出PWM 的占空比。

因为本次设计打算设定4个输出档位，分别为3V，5V，10V，15V，而且采用ATMEGA16单片机可以使用其剩余引脚进行电路的其他控制，例如显示输出电压幅值等。

综上所述，本次设计采用ATMEGA16单片机为控制电路的CPU。

1.2 电路的整体结构

本次设计直流可调电源主要依据直流斩波电路（Buck电路）的原理，利用AVR单片机控制其开关器件的导通时间，从而实现输出电圧的可调。

设计电路整体结构如图1-1

保护电路

控制电路驱动电路主电路

图1-1 电路的整体结构框图

第二章 主电路的设计

2.1 主电路的原理

本次设计的主电路为降压斩波电路（Buck ），其原理图如下图所示

L

VD

R

V

E

IGBT

图2-1 降压斩波电

路

如图，IGBT 在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流io 流过大电感L ，电源给电感充电，同时为负载供电。而IGBT 截止时，电感L 开始放电为负载供电，二极管VD 导通，形成回路。IGBT 以这种方式不断重复开通和关断，而电感L 足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比由控制信号的占空比来决定。

输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：

on on o on off t t

U =

E=E=E t +t T

其中on t 为IGBT 的导通时间，off t 为IGBT 的关断时间， 为控制信号的占空比。 如图2-2所示降压斩波电路的电压不连续

i G t

t

T

i G

t on t off

i o

i 1i 2I 10I 20t 1

u o

a)

b)

O O T E

E

i G t on

t off

i o

t

x

i 1

i 2

I 20

t 1t 2

u o

图2-2 降压斩波电

路的工作波形图

第三章 驱动电路的设计

3.1 驱动芯片的选择

IGBT 是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT 。因此需要将信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而设计中还需要有带电器隔离的部分。

具体来讲IGBT 的驱动要求有一下几点：

1）动态驱动能力强，能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT 会在开通及关延时，同时要保证当IGBT 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。

2）能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V 左右的正向栅压比较恰当，取-5V 反向栅压能让IGBT 可靠截止。

3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为土20 V ，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。

4）当 IGBT 处于负载短路或过流状态时，能在IGBT 允许时间内通过逐渐降

低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。

根据以上几点要求，本次设计采用TPL250为IGBT的驱动芯片。

3.2 驱动芯片的介绍

TLP250是日本东芝生产的8引脚光耦合器，适用于晶体逆变器，变频空调Conditionor，IGBT栅极驱动器，功率场效应晶体管的栅极驱动等。

主要参数如下：

输入阈值电流 5mA (max)

供电电压 10-35V

输出电流±1.5A (max)

开关时间 1.5us (max)

如图3-1所示，TPL250的输入和输出通过光耦安全的隔离开来，避免输出侧的波动对控制电路的影响。并且通过放大器和三极管将输入的信号放大，使其幅值达到能够驱动IGBT的要求。

实际应用中，将来自控制电路的输入信号由2、3引脚输入，6、7引脚输出两路相同的放大后的控制信号。8引脚接VCC，5引脚接GND

图3-1 TLP250

引脚图

3.3 驱动电路的设计

根据3.2节可得本次设计的驱动电路如图3-2所示

TLP250

1234

5

678

PWM 产生

接IGBT 栅极

15V

图3-2 驱动电路

其中3引脚与PWM 产生装置的地相连接

第四章 控制电路的设计

IGBT 为电压驱动型开关器件，为了很好的控制其通断，本次设计采用ATMEGA16单片机发出PWM 信号，通过两个独立按键控制PWM 的占空比，从而使输出电压能够人为的调节。

4.1 控制电路的设计原理

ATmega16是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8 位CMOS 微控制器。具有两个16位定时器和计数器，通过配置控制寄存器TCCR1A 和TCCR1B 使PD5和PD4发出两路独立的PWM 。

本次设计通过两个按键S1，S2，调节AVR 单片机输出PWM 的占空比，一共设计了四个档位，分别为3V ，5V ，10V 和15V ，对应四个指示灯L1，L2，L3，L4。

根据on on o on off t t

U =

E=E=E t +t T

E=20V 可得，四个档位对应的PWM 占空比

分别为15%，25%，50%和75%。

4.2控制电路原理图

控制电路原理图如图4-1所示

ATMEGA16

Vcc

Vcc

RESET

PWM 输出

PD4PA2PA3Vcc

GND

S1

S2

L1

L2L3

L4

C1

C2

C3

S3R1

8M

图4-1 控制电

路原理图

AVR 单片机外接8MHZ 的晶体振荡器，PD4输出PWM 接驱动电路TLP250的2引脚，3引脚和单片机的GND 相连。

灯L1，L2，L3，L4分别接PB0，PB1，PB2，PB3。

第五章保护电路的设计

5.1 IGBT的栅极保护

一般的IGBT的栅极驱动电压Vge的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超过保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应设置栅极电压的限幅电路。

另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极—发射极有电流流过，这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程

中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在的栅极与发射极间并接一只几十千欧的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射。如图5-1所示。

G

E

图5-1 IGBT的栅极保护电路

5.2 IGBT的集电极和发射极的保护

一般情况下，对IGBT的集电极和发射极进行保护主要考虑的是其过电压问题。过电压的产生一般有两种情况：

1.施加到IGBT集电极—发射极的直流电压过高。

2.IGBT集电极—发射极上的浪涌电压过高。

本次设计采用RC缓冲电路对以上两种IGBT过圧情况进行保护。保护电路图如图5-2所示。

C

E

图5-2 RC缓冲电路

5.3 IGBT的过热保护

一般情况下，流过IGBT的电流比较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时的散掉，使得器件的结温超高额定值则可能使IGBT 损坏。

为了能够让IGBT良好的散热，保证其结温在额定温度内，本次设计在IGBT 后面加上金属散热架，加强了IGBT的散热。

第六章结论

本次设计可调电源符合设计要求，达到了预期的3V，5V，10V，15V，四个档位，通过按按键S1，S2，观察L1，L2，L3，L4的亮灭情况来确定电源的档位，实现了输出电圧幅值的可调。

但本次设计仍有不足，没有考虑到IGBT集电极的过流保护和负载过流保护问题，在以后的学习和生活中还需要继续学习，弥补本次设计的缺陷。

心得体会

通过本次课程设计，让我对直流斩波电路有了更进一步的理解，并且学会了IGBT的驱动电路和保护电路的设计，在设计过程中使用了之前学习过的AVR 单片机进行PWM信号的控制，得到了知识整体运用的机会，让我收获了自信，更爱去学习新东西。

在课程设计过程中通过和同学的交流学会了很多新知识，对画图软件的使

用也灵活熟练了很多，很感谢这次课程设计让我的能力和知识层面得到了很好的提升。

附录：ATMEGA16设计源程序

#include

#define BIT(b)(1<

void delay(unsigned int x)

{

unsigned int y,z;

for(y=0;y

for(z=400;z>0;z--);

}

int main(void)

{

DDRD|=0x30;

TCCR1A=0X63;

TCCR1B=0X19;

OCR1A=1024;

OCR1B=153;

int n=0;

while(1)

{

if((PINA&0x02)==0)

{

delay(10);

n=n+1;

if(n>3)n=0;

}

if((PINA&0x04)==0)

{

delay(10);

n=n-1;

if(n<0)n=3;

}

switch(n)

{

case0:

OCR1B=153;//档位1 ----3V

PORTB=0x01;

break;

case1:

OCR1B=253;//档位2 ----5V

PORTB=0x02;

break;

case2:

OCR1B=512;//档位3 ----10V

PORTB=0x04;

break;

case3:

OCR1B=768;//档位4 ----15V

PORTB=0x08;

break;

}

}

}

参考文献

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M ].机械工业出版社，2009

[2] 于正林. AVR 单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2006

[3] 李俊梅. 电力电子器件与应用[M ].浙江大学出版社，2004