等级:
课 程 设 计
课程名称 课题名称
专 业 班 级 学 号 姓 名 指导老师 完成日期
电力电子技术 直流降压斩波器的设计
电气工程及其自动化
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电气信息学院 课程设计任务书
课题名称 姓 名 指导老师 课程设计时间 教研室意见
专业
直流降压斩波器的设计
意见： 审核人：
班级
学号
一、任务及要求
1. 设计出直流降压斩波器的主电路。（电压0-220V,功率1KW，阻感负载） 2. 设计直流降压斩波器的控制电路。 3. 设计直流降压斩波器的驱动电路。
4. 给出整体设计框图，画出直流斩波器的总体原理图； 5. 说明所选器件的型号，特性。 6. 给出具体电路画出电路原理图； 7.编写设计说明书；
8.课程设计说明书要求用手写，所绘原理图纸用计算机打印。（A4）
二、进度安排
第一周：星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求； 星期二——星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。 第二周：星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。 星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。
三、参考资料
1．王兆安．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2010； 2．电气工程师手册； 3．电力电子技术手册。
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目录
1. 绪论
2. 设计要求与方案 2.1设计要求 2.2方案确定 3. 主电路设计 3.1主电路方案 3.2工作原理 3.3参数分析 4. 控制电路设计
4.1 控制电路方案选择
4.2 工作原理及控制芯片介绍 5.驱动电路设计
5.1 驱动电路方案选择 5.2工作原理 6．系统仿真及结论
6.1 仿真软件的介绍
6.2仿真电路及其仿真结果 7设计体会 8参考文献
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1、绪论
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。第一个晶闸管在美国的诞生也标志着电力电子技术的诞生。电力电子技术的发展也经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代三个发展过程。电力电子技术的应用领域也涉及到人类生活的方方面面，例如电力电子技术在工农业、交通、国防以及能源等领域都得到了很广泛的应用。而且，通过不断地发展，实现了集驱动、控制、电路保护和功率器件为一体的功率集成电力。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 目前，电力电子器件和电力电子设备和系统也向着不断精化的方向发展。
直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器（Buck Chopper）、升压斩波器（Boost Chopper）、升降压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。
因此，依据课程设计的要求，我的选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路的直流降压斩波器。
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2.设计要求与方案
2.1设计要求 电压0-220V 功率1KW 阻感负载 2.2方案确定
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，以及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。 根据降压斩波电路设计任务要求设计结构框图如图2.1所示。
控制电路驱动电路主电路 图2.1 降压斩波电路结构框图
在图2.1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换并放大加在开关控制端，转换为可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。
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3.主电路设计 3.1主电路方案
根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，因此不可取，将此方案舍弃。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。
3．2工作原理
根据所学知识，直流降压斩波器的主电路图如图所示
直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.2所示：
OiGtonOioi1I10OuoEa)Ti2I20t1tOuotofftiGiGOiotonTti1t1EI20xtoffti2t2Ett6 Ob)EMt
图3.2 降压电路波形图
当tt1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。
至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为
UotontUionUiUi （3-1）
tontoffT为IGBT处于通态的时间；off为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。
UU通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值0最大为E，若减小占空比α，则0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比α，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
tont3.3参数分析
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：
(1)电源 要求输入电压为220V。
(2)电阻 因为当输出电压为220V时，假设输出电流为0.22A所以由欧姆定律
U可得负载电阻值为1k欧姆。 （3-2） R0Io(3)IGBT 由图易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为220V；
(4)二极管 其承受最大反压220V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选择UN200V，IN20A的二极管。
(5)电感 L=2.2mH; （6）开关频率 f=5KHz
（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%
4. 控制电路设计 4.1控制电路方案选择
控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
斩波电路有三种控制方式：
1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型； 2.保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型； 3.导通时间ton和周期T都可调，使占空比改变，称为混合型。
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因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
4.2工作原理
对于PWM发生芯片，我选用了8051芯片，其引脚图如图4.1所示， 我选用的是mutisium软件里8051单片机产生pwm脉冲
控制其产生脉冲的程序如下： #include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define HIGH 10 #define ALL 20 sbit out=P1^0; uint tt; void main() {
TMOD=0x01;
//设置定时器0为工作方式1
//设置初值
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//HIGH与ALL的比值为占空比
//ALL为周期时间，即20ms，改变数值即可改变周期
TH0=(65536-1000)/256;
}
TL0=(65536-1000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; out=1; while(1);
//开总中断 //开定时器0中断 //启动定时器0
void timer0() interrupt 1 { }
此单片机可调占空比 如图
//重装初值
TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; tt++; if(tt==HIGH)
out=0; {
out=1; tt=0;
if(tt==ALL)
}
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由于mutisium软件的功能特性，8051的最小系统已包含在内。只需将上述程序嵌入单片机里即可获得可调占空比的PWM波形。
4.3控制芯片介绍
单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 ⒈ 电源:
⑴ VCC - 芯片电源，接+5V； ⑵ VSS - 接地端； ⒉ 时钟:
XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 ⒊ 控制线:
控制线共有4根，
⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址
② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入程脉冲。
⑵ PSEN:外ROM读选通信号。 ⑶ RST/VPD:复位/备用电源。
① RST（Reset）功能：复位信号输入端。
② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。
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编
⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。
② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 ⒋ I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 5 驱动电路设计
5.1驱动电路方案选择
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT，需要将信号放。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。因而还设计中要求驱动电路要带有电气隔离的功能。
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。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。
针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。
方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。
方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。
通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。
对于方案1可以用TP1521-1驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。由且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。
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5.2工作原理
如图所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光器件是TLP521-1。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大
6 系统仿真及结论
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6.1 仿真软件的介绍
此次仿真我用的是mutisium软件
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
使用人员可以用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
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直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；
丰富的元器件：提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
强大的仿真能力：以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
丰富的测试仪器：提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：
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7 设计体会
月日到月日这两周的时间我进行了为期两周的电力电子课程设计。这两周中，我既有收获的喜悦，也有失败的苦楚。这两周实验我们自己研究课题任务，对课题及任务进行思考研究，自由时间非常充裕。刚开始还有点不适应，有点迷茫。在第一周周一早上杨老师进行认真细心的讲解后，分配好小组与任务后，我们开始查资料，收集有用的信息，并想好设计方案，并在电脑上进行仿真操作。
通过对课题的研究我首先大致确定了主电路的方案，控制电路换了好几次芯片，效果都不尽如人意，多亏了班上热心的大神们为我提供解决思路，最后才选定用8051单片机作为控制电路。由于控制电路的电压为5v，与主电路不能直接相连，因此我设计了利用光耦合原理的驱动为驱动电路。通过这次的课程设计，我发现了电力电子技术的重要性，它里面的器件如IGBT之类的还可以对我们实际的电路起到提高效率和保护作用，可以通过控制它的触发脉冲来实现它的关断，这都是非常常见但是却非常有实际意义的。课程设计并不是一帆风顺的，需要我们不断思考改进，其间我们也遇到了很多的问题，但是在自己的思考与老师同学的帮助下一点点攻关克难，完成任务。这让我明白世上无难事，只怕有心人。这次课设让我重新认识了电力电子技术，重新认识了直流降压斩波器，让我的逻辑思维能力得到提高，开阔了视野。通过这次设计大大提高了我的解决问题的能力。我认识到无论在什么设计中，都要有耐心花时间去钻研，前段时间我们是在课上学习理论课，，但这次设计让我们理论与实践相结合。但由于我能力的，设计定还有许多不足之处，希望老师指出并教导。通过对课题的研究，也增强了我的思考能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。感谢在课设中辛苦付出的老师，以及不厌其烦得帮我解决问题的热心同学们，让我在实践中不断进步。
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8 参考文献
[1]王兆安主编, 电力电子技术.第四版.北京:机械工业出版社.2004.1 [2]纪留利.斩波器设计与应用 [J].科技广场，2011，32(1)：151-153
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