直流斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、直流斬波電路課程設(shè)計(jì)目錄第一章 方案的選擇和電路的整體結(jié)構(gòu)11.1 方案的選擇11.2 電路的整體結(jié)構(gòu)2第二章 主電路的設(shè)計(jì)32.1 主電路的原理3第三章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)43.1 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇43.2 驅(qū)動(dòng)芯片的介紹43.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5第四章 控制電路的設(shè)計(jì)64.1 控制電路的設(shè)計(jì)原理64.2控制電路原理圖6第五章 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)85.1 IGBT的柵極保護(hù)85.2 IGBT的集電極和發(fā)射極的保護(hù)85.3 IGBT的過(guò)熱保護(hù)9第六章 結(jié)論10心得體會(huì)11附錄：ATMEGA16設(shè)計(jì)源程序12參考文獻(xiàn)14第一章 方案的選擇和電路的整體結(jié)構(gòu)1.1 方案的選擇1.1.1 主電路的選擇本次設(shè)計(jì)的

2、內(nèi)容是直流可調(diào)電源，目的是實(shí)現(xiàn)輸出電源的可調(diào)節(jié)，有以下兩種主電路的方案，現(xiàn)對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析比較。方案一：橋式全控整流電路橋式全控直流電路采用四個(gè)晶閘管橋式連接，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間使得輸出的平均電壓降低，實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)。優(yōu)點(diǎn)：可以直接用市電進(jìn)行整流調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：晶閘管屬于半控器件，控制不靈活。輸出電壓不穩(wěn)定，有波動(dòng)。輸入端與輸出端進(jìn)行隔離。方案二：直流斬波電路直流斬波電路屬于DC-DC變換電路，通過(guò)控制電力電子器件IGBT或MOSFET的通斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓大小的可調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：不能直接用市電進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要有恒定的直流電源。優(yōu)點(diǎn)：輸入端與輸出端不用進(jìn)行隔離，IGBT和MOSFET為全控器件，可

3、以隨意的控制其開通或者關(guān)斷，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用直流斬波電路為設(shè)計(jì)主電路，并且使用IGBT作為開關(guān)器件。1.1.2 控制電路的選擇控制電路的功能是控制電力電子器件IGBT的通斷，現(xiàn)有兩種主電路的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)進(jìn)行比較分析。方案一：采用UC3842芯片UC3842是一種PWM發(fā)生芯片，是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出單端輸出單端輸出單端輸出可直接驅(qū)動(dòng)可直接驅(qū)動(dòng)可直接驅(qū)動(dòng)可直接驅(qū)動(dòng)IGBT。方案二：采用ATMEGA16單片機(jī)ATMEGA16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器，具有豐富的片內(nèi)資源，能發(fā)出獨(dú)立的PWM信號(hào)，通過(guò)改變寄存

4、器的值來(lái)改變輸出PWM的占空比。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)打算設(shè)定4個(gè)輸出檔位，分別為3V，5V，10V，15V，而且采用ATMEGA16單片機(jī)可以使用其剩余引腳進(jìn)行電路的其他控制，例如顯示輸出電壓幅值等。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用ATMEGA16單片機(jī)為控制電路的CPU。1.2 電路的整體結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)直流可調(diào)電源主要依據(jù)直流斬波電路（Buck電路）的原理，利用AVR單片機(jī)控制其開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)輸出電圧的可調(diào)。設(shè)計(jì)電路整體結(jié)構(gòu)如圖1-1圖1-1 電路的整體結(jié)構(gòu)框圖第二章 主電路的設(shè)計(jì)2.1 主電路的原理本次設(shè)計(jì)的主電路為降壓斬波電路（Buck），其原理圖如下圖所示圖2-1 降壓斬波電路如圖，IGBT

5、在控制信號(hào)的作用下開通與關(guān)斷。開通時(shí)，二極管截止，電流io流過(guò)大電感L，電源給電感充電，同時(shí)為負(fù)載供電。而IGBT截止時(shí)，電感L開始放電為負(fù)載供電，二極管VD導(dǎo)通，形成回路。IGBT以這種方式不斷重復(fù)開通和關(guān)斷，而電感L足夠大，使得負(fù)載電流連續(xù)，而電壓斷續(xù)。從總體上看，輸出電壓的平均值減小了。輸出電壓與輸入電壓之比由控制信號(hào)的占空比來(lái)決定。輸出電壓的平均值都與負(fù)載無(wú)關(guān)，其大小為：其中為IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，為IGBT的關(guān)斷時(shí)間，為控制信號(hào)的占空比。如圖2-2所示降壓斬波電路的電壓不連續(xù)圖2-2 降壓斬波電路的工作波形圖第三章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.1 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)

6、生的控制信號(hào)一般難以以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要將信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而設(shè)計(jì)中還需要有帶電器隔離的部分。具體來(lái)講IGBT的驅(qū)動(dòng)要求有一下幾點(diǎn)：1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。否則IGBT會(huì)在開通及關(guān)延時(shí)，同時(shí)要保證當(dāng)IGBT損壞時(shí)驅(qū)動(dòng)電路中的其他元件不會(huì)被損壞。2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此

7、范圍可能破壞柵極。4）當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。根據(jù)以上幾點(diǎn)要求，本次設(shè)計(jì)采用TPL250為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片。3.2 驅(qū)動(dòng)芯片的介紹 TLP250是日本東芝生產(chǎn)的8引腳光耦合器，適用于晶體逆變器，變頻空調(diào)Conditionor，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)等。主要參數(shù)如下：輸入閾值電流 5mA (max)供電電壓 10-35V 輸出電流 ±1.5A (max)開關(guān)時(shí)間 1.5us (max) 如圖3-1所示，TPL250的輸

8、入和輸出通過(guò)光耦安全的隔離開來(lái)，避免輸出側(cè)的波動(dòng)對(duì)控制電路的影響。并且通過(guò)放大器和三極管將輸入的信號(hào)放大，使其幅值達(dá)到能夠驅(qū)動(dòng)IGBT的要求。實(shí)際應(yīng)用中，將來(lái)自控制電路的輸入信號(hào)由2、3引腳輸入，6、7引腳輸出兩路相同的放大后的控制信號(hào)。8引腳接VCC，5引腳接GND 圖3-1 TLP250引腳圖3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)根據(jù)3.2節(jié)可得本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示圖3-2 驅(qū)動(dòng)電路其中3引腳與PWM產(chǎn)生裝置的地相連接第四章 控制電路的設(shè)計(jì)IGBT為電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)器件，為了很好的控制其通斷，本次設(shè)計(jì)采用ATMEGA16單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制PWM的占空比，從而使輸出電壓能夠

9、人為的調(diào)節(jié)。4.1 控制電路的設(shè)計(jì)原理ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。具有兩個(gè)16位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，通過(guò)配置控制寄存器TCCR1A和TCCR1B使PD5和PD4發(fā)出兩路獨(dú)立的PWM。本次設(shè)計(jì)通過(guò)兩個(gè)按鍵S1，S2，調(diào)節(jié)AVR單片機(jī)輸出PWM的占空比，一共設(shè)計(jì)了四個(gè)檔位，分別為3V，5V，10V和15V，對(duì)應(yīng)四個(gè)指示燈L1，L2，L3，L4。根據(jù) E=20V可得，四個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的PWM占空比分別為15%，25%，50%和75%。4.2控制電路原理圖控制電路原理圖如圖4-1所示圖4-1 控制電路原理圖AVR單片機(jī)外接8MHZ的晶體振蕩器，PD4輸出PW

10、M接驅(qū)動(dòng)電路TLP250的2引腳，3引腳和單片機(jī)的GND相連。燈L1，L2，L3，L4分別接PB0，PB1，PB2，PB3。第五章 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1 IGBT的柵極保護(hù)一般的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vge的保證值為±20V，如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超過(guò)保證值的電壓，則可能會(huì)損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)設(shè)置柵極電壓的限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極發(fā)射極有電流流過(guò)，這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)使IGBT發(fā)熱

11、甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)過(guò)程中使得柵極回路斷開，在不被察覺(jué)的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會(huì)損壞。為防止此類情況發(fā)生，應(yīng)在的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十千歐的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射。如圖5-1所示。圖5-1 IGBT的柵極保護(hù)電路5.2 IGBT的集電極和發(fā)射極的保護(hù)一般情況下，對(duì)IGBT的集電極和發(fā)射極進(jìn)行保護(hù)主要考慮的是其過(guò)電壓?jiǎn)栴}。過(guò)電壓的產(chǎn)生一般有兩種情況：1.施加到IGBT集電極發(fā)射極的直流電壓過(guò)高。2.IGBT集電極發(fā)射極上的浪涌電壓過(guò)高。本次設(shè)計(jì)采用RC緩沖電路對(duì)以上兩種IGBT過(guò)圧情況進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)電路圖如圖5-2所示。圖5-2 RC緩沖電路5.3 IG

12、BT的過(guò)熱保護(hù)一般情況下，流過(guò)IGBT的電流比較大，開關(guān)頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時(shí)的散掉，使得器件的結(jié)溫超高額定值則可能使IGBT損壞。為了能夠讓IGBT良好的散熱，保證其結(jié)溫在額定溫度內(nèi)，本次設(shè)計(jì)在IGBT后面加上金屬散熱架，加強(qiáng)了IGBT的散熱。第六章 結(jié)論本次設(shè)計(jì)可調(diào)電源符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的3V，5V，10V，15V，四個(gè)檔位，通過(guò)按按鍵S1，S2，觀察L1，L2，L3，L4的亮滅情況來(lái)確定電源的檔位，實(shí)現(xiàn)了輸出電圧幅值的可調(diào)。但本次設(shè)計(jì)仍有不足，沒(méi)有考慮到IGBT集電極的過(guò)流保護(hù)和負(fù)載過(guò)流保護(hù)問(wèn)題，在以后的學(xué)習(xí)和生活中還需要繼續(xù)學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)本次設(shè)計(jì)的缺陷。心

13、得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)直流斬波電路有了更進(jìn)一步的理解，并且學(xué)會(huì)了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了之前學(xué)習(xí)過(guò)的AVR單片機(jī)進(jìn)行PWM信號(hào)的控制，得到了知識(shí)整體運(yùn)用的機(jī)會(huì)，讓我收獲了自信，更愛去學(xué)習(xí)新東西。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)和同學(xué)的交流學(xué)會(huì)了很多新知識(shí)，對(duì)畫圖軟件的使用也靈活熟練了很多，很感謝這次課程設(shè)計(jì)讓我的能力和知識(shí)層面得到了很好的提升。附錄：ATMEGA16設(shè)計(jì)源程序#include <avr/io.h>#define BIT(b) (1<<b)void delay (unsigned int x)unsigned int y,z;fo

14、r(y=0;y<x;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)case 0:OCR1B=153; /檔位1 -3VPORTB=0x01; break;case 1:OCR1B=