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摘 要：直流斩波器已广泛应用于电力牵引、电机控制以及一些需要可调直流电压的场合。但作为应用产品，目前都是降压型的，即输出电压只能在输入电压以下范围内可调。本论文介绍了降压直流斩波电路的工作原理，直流斩波电路各部分的结构及原理。实验证明电路简单、控制方便、特性好。
关键词：斩波电路 整流电路 斩波信号电路 驱动电路
直流斩波器又称为截波器，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已被被广泛使用，如直流电机的速度控制、交换式电源供应器等。直流斩波电路的输入是由蓄电池或不可控整流得来的直流电，经斩波器变压后输出出给负载，所以直流斩波器可看作是一个直流变压器或调压器。
1、降压直流斩波电路工作原理
（a）原理图 （b）波形图
图1 降压直流斩波电路
降压斩波电路的原理图及工作波形如图1所示。图中VT为全控型器件，选用IGBT。为了使VT关断时给感性负载提供感应电流通路，在电路中接有续流二极管VD；电感L和电容C组成低通滤波器，以减少输出电压近似为常数，电容的平均电流为零，因而负载的平均电流等于电感中的平均电流。如果电感足够大，可使负载电流连续且脉动小。
当电力电子开关VT处于通态时，电源Ui向负载供电，Ui=UD。当VT处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T 结束，再驱动VT 导通，重复上一周期的过程。斩波器输出电压的平均值为
U■=■U=■U=αU式中，ton为VT处于通态的时间，toff为VT处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比。因为负载上得到的直流平均电压低于直流输入电压，故称为降压斩波器。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式。
（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（PWM控制方式）；（2）保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制；（3）ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中PWM控制方式应用最多。
本设计应用的是脉冲宽度调制（PWM控制方式）
2、整流电路的设计
本设计采用桥式整电路，电路结构如图2所示，由四个二极管组成一个全桥整流电路。由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器，因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压的比值较大，而且适用在小电流电路中。
图2 整流电路
3、斩波信号电路的选择
产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC等。本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525，该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现抗干扰能力，是一款性价相当不错的芯片。
3、1 SG3525内部框图及引脚功能
各引脚功能：
1.误差放大器反向输入端。2.误差放大器同向输入端。3.振荡器外接同步信号输入端。4.振荡器输出端。 5.振荡器定时电容接入端。 6.振荡器定时电阻接入端。
图3 SG3525内部框图
7.振荡器放电端。8.软起动电容接入端。9. PWM比较器补偿信号输入端。10.外部关断信号输入端。11.输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.信号地。13.输出级偏置电压接入端。14.输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.偏置电源接入端。16.基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
3.2 斩波信号电路工作原理
在该电路中通过R2、R3、C3结合 SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由11脚A输出、14脚B输出，调节R7可以改变占空比。
图4 SG3525斩波信号电路
SG3525内置了5.1V精密基准电源，SG3525的软起动接入端（引脚8）上通常接一个软起动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软起动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软起动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当引脚10上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，引脚10不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
4、驱动电路的设计
为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525斩波电路输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。
5、结束语
直流降压斩波电路主要对整流电路、斩波信号电路、驱动电路分别进行了设计和元件的选择，除上述电路的设计外，还考虑了主电路与控制电路的电气隔离。IGBT降压斩波电路易驱动，电压、电流容量大等优点，使得它在电力电子领域中有广阔的发展前景。本调设计中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
关键词：斩波电路 整流电路 斩波信号电路 驱动电路
直流斩波器又称为截波器，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已被被广泛使用，如直流电机的速度控制、交换式电源供应器等。直流斩波电路的输入是由蓄电池或不可控整流得来的直流电，经斩波器变压后输出出给负载，所以直流斩波器可看作是一个直流变压器或调压器。
1、降压直流斩波电路工作原理
（a）原理图 （b）波形图
图1 降压直流斩波电路
降压斩波电路的原理图及工作波形如图1所示。图中VT为全控型器件，选用IGBT。为了使VT关断时给感性负载提供感应电流通路，在电路中接有续流二极管VD；电感L和电容C组成低通滤波器，以减少输出电压近似为常数，电容的平均电流为零，因而负载的平均电流等于电感中的平均电流。如果电感足够大，可使负载电流连续且脉动小。
当电力电子开关VT处于通态时，电源Ui向负载供电，Ui=UD。当VT处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T 结束，再驱动VT 导通，重复上一周期的过程。斩波器输出电压的平均值为
U■=■U=■U=αU式中，ton为VT处于通态的时间，toff为VT处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比。因为负载上得到的直流平均电压低于直流输入电压，故称为降压斩波器。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式。
（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（PWM控制方式）；（2）保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制；（3）ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中PWM控制方式应用最多。
本设计应用的是脉冲宽度调制（PWM控制方式）
2、整流电路的设计
本设计采用桥式整电路，电路结构如图2所示，由四个二极管组成一个全桥整流电路。由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器，因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压的比值较大，而且适用在小电流电路中。
图2 整流电路
3、斩波信号电路的选择
产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC等。本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525，该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现抗干扰能力，是一款性价相当不错的芯片。
3、1 SG3525内部框图及引脚功能
各引脚功能：
1.误差放大器反向输入端。2.误差放大器同向输入端。3.振荡器外接同步信号输入端。4.振荡器输出端。 5.振荡器定时电容接入端。 6.振荡器定时电阻接入端。
图3 SG3525内部框图
7.振荡器放电端。8.软起动电容接入端。9. PWM比较器补偿信号输入端。10.外部关断信号输入端。11.输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.信号地。13.输出级偏置电压接入端。14.输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.偏置电源接入端。16.基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
3.2 斩波信号电路工作原理
在该电路中通过R2、R3、C3结合 SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由11脚A输出、14脚B输出，调节R7可以改变占空比。
图4 SG3525斩波信号电路
SG3525内置了5.1V精密基准电源，SG3525的软起动接入端（引脚8）上通常接一个软起动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软起动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软起动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当引脚10上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，引脚10不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
4、驱动电路的设计
为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525斩波电路输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。
5、结束语
直流降压斩波电路主要对整流电路、斩波信号电路、驱动电路分别进行了设计和元件的选择，除上述电路的设计外，还考虑了主电路与控制电路的电气隔离。IGBT降压斩波电路易驱动，电压、电流容量大等优点，使得它在电力电子领域中有广阔的发展前景。本调设计中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。