直流斬波電路課程設(shè)計

1、<p>　　第一章 方案的選擇和電路的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.1 方案的選擇</p><p>　　1.1.1 主電路的選擇</p><p>　　本次設(shè)計的內(nèi)容是直流可調(diào)電源，目的是實現(xiàn)輸出電源的可調(diào)節(jié)，有以下兩種主電路的方案，現(xiàn)對這兩種方案進(jìn)行分析比較。</p><p>　　方案一：橋式全控整流電路</p>

2、;<p>　　橋式全控直流電路采用四個晶閘管橋式連接，通過控制晶閘管的導(dǎo)通時間使得輸出的平均電壓降低，實現(xiàn)電壓可調(diào)。</p><p>　　優(yōu)點：可以直接用市電進(jìn)行整流調(diào)節(jié)。</p><p>　　缺點：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。輸入端與輸出端進(jìn)行隔離。</p><p>　　方案二：直流斬波電路</p><

3、p>　　直流斬波電路屬于DC-DC變換電路，通過控制電力電子器件IGBT或MOSFET的通斷時間來實現(xiàn)電壓大小的可調(diào)節(jié)。</p><p>　　缺點：不能直接用市電進(jìn)行設(shè)計，需要有恒定的直流電源。</p><p>　　優(yōu)點：輸入端與輸出端不用進(jìn)行隔離，IGBT和MOSFET為全控器件，可以隨意的控制其開通或者關(guān)斷，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。</p><p>　

4、　綜上所述，本次設(shè)計采用直流斬波電路為設(shè)計主電路，并且使用IGBT作為開關(guān)器件。</p><p>　　1.1.2 控制電路的選擇</p><p>　　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)計方案，現(xiàn)進(jìn)行比較分析。</p><p>　　方案一：采用UC3842芯片</p><p>　　UC3842是一種PWM發(fā)生芯

5、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)動可直接驅(qū)動可直接驅(qū)動可直接驅(qū)動IGBT。</p><p>　　方案二：采用ATMEGA16單片機(jī)</p><p>　　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)出獨立的PWM信號，通過改變寄存器的值來改變輸出PWM的占空比。</p>

6、<p>　　因為本次設(shè)計打算設(shè)定4個輸出檔位，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。</p><p>　　綜上所述，本次設(shè)計采用ATMEGA16單片機(jī)為控制電路的CPU。</p><p>　　1.2 電路的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本次設(shè)計直流可調(diào)電源主要依據(jù)直流

7、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)通時間，從而實現(xiàn)輸出電圧的可調(diào)。</p><p>　　設(shè)計電路整體結(jié)構(gòu)如圖1-1</p><p>　　圖1-1 電路的整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第二章 主電路的設(shè)計</p><p>　　2.1 主電路的原理</p><p>　　本次設(shè)計的主

8、電路為降壓斬波電路（Buck），其原理圖如下圖所示</p><p>　　圖2-1 降壓斬波電路</p><p>　　如圖，IGBT在控制信號的作用下開通與關(guān)斷。開通時，二極管截止，電流io流過大電感L，電源給電感充電，同時為負(fù)載供電。而IGBT截止時，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

9、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的占空比來決定。</p><p>　　輸出電壓的平均值都與負(fù)載無關(guān)，其大小為：</p><p>　　其中為IGBT的導(dǎo)通時間，為IGBT的關(guān)斷時間，為控制信號的占空比。</p><p>　　如圖2-2所示降壓斬波電路的電壓不連續(xù)</p><p>　　圖2-2 降壓斬波電路的工作

10、波形圖</p><p>　　第三章 驅(qū)動電路的設(shè)計</p><p>　　3.1 驅(qū)動芯片的選擇</p><p>　　IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動IGBT。因此需要將信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會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)計中還需要有帶電器隔離的部分。</p>

11、<p>　　具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點：</p><p>　　1）動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關(guān)延時，同時要保證當(dāng)IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。</p><p>　　2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍海话闳?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。</

12、p><p>　　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)動信號超出此范圍可能破壞柵極。</p><p>　　4）當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。</p><p>　　根據(jù)以上幾點要求，本次設(shè)計采用

13、TPL250為IGBT的驅(qū)動芯片。</p><p>　　3.2 驅(qū)動芯片的介紹 </p><p>　　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)動器，功率場效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動等。</p><p><b>　　主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　輸

14、入閾值電流 5mA (max)</p><p>　　供電電壓 10-35V </p><p>　　輸出電流 ±1.5A (max)</p><p>　　開關(guān)時間 1.5us (max)</p><p>　　如圖3-1所示，TPL250的輸入和輸出通過光耦安全的隔離開來，避免輸出

15、側(cè)的波動對控制電路的影響。并且通過放大器和三極管將輸入的信號放大，使其幅值達(dá)到能夠驅(qū)動IGBT的要求。</p><p>　　實際應(yīng)用中，將來自控制電路的輸入信號由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。8引腳接VCC，5引腳接GND</p><p>　　圖3-1 TLP250引腳圖</p><p>　　3.3 驅(qū)動電路的設(shè)計</p>

16、<p>　　根據(jù)3.2節(jié)可得本次設(shè)計的驅(qū)動電路如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 驅(qū)動電路</p><p>　　其中3引腳與PWM產(chǎn)生裝置的地相連接</p><p>　　第四章 控制電路的設(shè)計</p><p>　　IGBT為電壓驅(qū)動型開關(guān)器件，為了很好的控制其通斷，本次設(shè)計采用ATMEGA16單片機(jī)發(fā)出PWM信號，通

17、過兩個獨立按鍵控制PWM的占空比，從而使輸出電壓能夠人為的調(diào)節(jié)。</p><p>　　4.1 控制電路的設(shè)計原理</p><p>　　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16位定時器和計數(shù)器，通過配置控制寄存器TCCR1A和TCCR1B使PD5和PD4發(fā)出兩路獨立的PWM。</p><p>　　本次設(shè)計通過兩個按鍵

18、S1，S2，調(diào)節(jié)AVR單片機(jī)輸出PWM的占空比，一共設(shè)計了四個檔位，分別為3V，5V，10V和15V，對應(yīng)四個指示燈L1，L2，L3，L4。</p><p>　　根據(jù) E=20V可得，四個檔位對應(yīng)的PWM占空比分別為15%，25%，50%和75%。</p><p>　　4.2控制電路原理圖</p><p>　　控制電路原理圖如圖4-1所示</p>

19、<p>　　圖4-1 控制電路原理圖</p><p>　　AVR單片機(jī)外接8MHZ的晶體振蕩器，PD4輸出PWM接驅(qū)動電路TLP250的2引腳，3引腳和單片機(jī)的GND相連。</p><p>　　燈L1，L2，L3，L4分別接PB0，PB1，PB2，PB3。</p><p>　　第五章 保護(hù)電路的設(shè)計</p><p>　　5.1

20、 IGBT的柵極保護(hù)</p><p>　　一般的IGBT的柵極驅(qū)動電壓Vge的保證值為±20V，如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超過保證值的電壓，則可能會損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動電路中應(yīng)設(shè)置柵極電壓的限幅電路。</p><p>　　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，

21、使得柵極電位升高，集電極—發(fā)射極有電流流過，這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時，可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。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。</p><p>　　圖5-1 IGBT的柵極保護(hù)電路</p><p&

22、gt;　　5.2 IGBT的集電極和發(fā)射極的保護(hù)</p><p>　　一般情況下，對IGBT的集電極和發(fā)射極進(jìn)行保護(hù)主要考慮的是其過電壓問題。過電壓的產(chǎn)生一般有兩種情況：</p><p>　　1.施加到IGBT集電極—發(fā)射極的直流電壓過高。</p><p>　　2.IGBT集電極—發(fā)射極上的浪涌電壓過高。</p><p>　　本次設(shè)計采用R

23、C緩沖電路對以上兩種IGBT過圧情況進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)電路圖如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 RC緩沖電路</p><p>　　5.3 IGBT的過熱保護(hù)</p><p>　　一般情況下，流過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，如果熱量不能及時的散掉，使得器件的結(jié)溫超高額定值則可能使IGBT損壞。</p><

24、p>　　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)計在IGBT后面加上金屬散熱架，加強(qiáng)了IGBT的散熱。</p><p><b>　　第六章 結(jié)論</b></p><p>　　本次設(shè)計可調(diào)電源符合設(shè)計要求，達(dá)到了預(yù)期的3V，5V，10V，15V，四個檔位，通過按按鍵S1，S2，觀察L1，L2，L3，L4的亮滅情況來確定電源的檔位，實現(xiàn)了輸出電

25、圧幅值的可調(diào)。</p><p>　　但本次設(shè)計仍有不足，沒有考慮到IGBT集電極的過流保護(hù)和負(fù)載過流保護(hù)問題，在以后的學(xué)習(xí)和生活中還需要繼續(xù)學(xué)習(xí)，彌補本次設(shè)計的缺陷。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，讓我對直流斬波電路有了更進(jìn)一步的理解，并且學(xué)會了IGBT的驅(qū)動電路和保護(hù)電路的設(shè)計，在設(shè)計過程

26、中使用了之前學(xué)習(xí)過的AVR單片機(jī)進(jìn)行PWM信號的控制，得到了知識整體運用的機(jī)會，讓我收獲了自信，更愛去學(xué)習(xí)新東西。</p><p>　　在課程設(shè)計過程中通過和同學(xué)的交流學(xué)會了很多新知識，對畫圖軟件的使用也靈活熟練了很多，很感謝這次課程設(shè)計讓我的能力和知識層面得到了很好的提升。</p><p>　　附錄：ATMEGA16設(shè)計源程序</p><p>　　#include

27、 <avr/io.h></p><p>　　#define BIT(b) (1<<b)</p><p>　　void delay (unsigned int x)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int y,z;</p><p&g

28、t;　　for(y=0;y<x;y++)</p><p>　　for (z=400;z>0;z--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　int main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DDRD|

29、=0x30;</p><p>　　TCCR1A=0X63;</p><p>　　TCCR1B=0X19;</p><p>　　OCR1A=1024;</p><p>　　OCR1B=153;</p><p><b>　　int n=0;</b></p><p><b&

30、gt;　　while (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ((PINA&0x02)==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10);</p><p><b>　

31、　n=n+1;</b></p><p>　　if (n>3) n=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if ((PINA&0x04)==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10

32、);</p><p><b>　　n=n-1;</b></p><p>　　if (n<0) n=3;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　switch(n)</b></p><p><b>　　{<

33、;/b></p><p><b>　　case 0:</b></p><p>　　OCR1B=153; //檔位1 ----3V</p><p>　　PORTB=0x01;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　ca

34、se 1:</b></p><p>　　OCR1B=253; //檔位2 ----5V</p><p>　　PORTB=0x02;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　OCR

35、1B=512; //檔位3 ----10V</p><p>　　PORTB=0x04;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 3:</b></p><p>　　OCR1B=768; //檔位4 ----15V</p><p

36、>　　PORTB=0x08;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b