IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、 目錄1 引言.42 方案設(shè)計(jì).5 2.1 升壓斬波電路原理.5 2.2 工作原理.62.3 參數(shù)計(jì)算73 分單元電路設(shè)計(jì)9 3.1 控制電路設(shè)計(jì).9 3.1.1 控制電路方案的選擇.9 3.1.2 SG3525的工作原理.10 3.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì).10 3.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì).114 總電路圖.135 課程設(shè)計(jì)總結(jié).146 參考文獻(xiàn).15 1 引言電力電子技術(shù)(Power Electronics)也稱為電力電子學(xué)。利用電力電子開關(guān)器件組成電力開關(guān)電路，利用晶體管集成電路和微處理器構(gòu)成信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時、適式的控制，可以經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式的電力變換和電力控制，包括電

2、壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。是綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。直流變直流是電力電子技術(shù)中變流技術(shù)的重要部分，廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域。直流-直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路，它的功能就是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。本課程設(shè)計(jì)就是其中的一種斬波電路，即升壓斬波電路。本課程設(shè)計(jì)采用IGBT全控型器件，采用專用PWM控制集成電路SG3525進(jìn)行驅(qū)動，并利用MATLA

3、B的Power System工具箱進(jìn)行主電路的仿真實(shí)驗(yàn)，滿足了設(shè)計(jì)要求，是一次比較成功的設(shè)計(jì)。控制與驅(qū)動電路2 方案設(shè)計(jì) 保護(hù)電路 主電路 直流電源 圖1 系統(tǒng)總體框圖斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊三部分組成。其中，主電路模塊主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和直流斬波電路組成，其中主要由全控器件IGBT的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓Uo的大小。控制與驅(qū)動電路模塊：用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525產(chǎn)生PWM信號送給驅(qū)動電路，經(jīng)驅(qū)動電路來控制IGBT的開通與關(guān)斷。電路模塊：驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動IGBT的開通

4、與關(guān)斷。驅(qū)動電路模塊：控制電路中的保護(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。2.1 升壓斬波電路原理圖2斬波電路2.2 工作原理在電路中V導(dǎo)通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當(dāng)V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通時電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電。因C值很大，基本

5、保持輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EIlton。當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為toff,則在此期間電感L釋放的能量為(Uo-E) Iltoff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即EIlton=(Uo-E) Iltoff (1)化簡得 Uo=ton+tofftoffE=TtoffE(2)式中，T/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。又稱boost變換器（Boost Converter）。式（2）中T/toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改

6、變輸出電壓U0的大小。將升壓比的倒數(shù)記作，即= toffT。則和占空比有如下關(guān)系+=1(3)因此，式（2）可表示為：Uo=1E=11-E (4)升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo必然會有所下降，故實(shí)際輸出電壓會略低于式（4）所得結(jié)果。不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即EIl=UoIo(5)該式表明，升壓斬波

7、電路可看成是直流變壓器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（4）得出輸出電流的平均值Io為Io=UoR=1 ER (6)由式（5）即可得出電源電流Il為Il=UoEIo=12 ER(7)下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在T時刻電感電流iL剛好降到0,則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時電感電流平均值為Il=12il,max=12 ELton=TUo2L'(1-) (8)又由式（4）和式（5）可得IoIl=1-(9)聯(lián)立式（8）、（9）可得，在臨界狀態(tài)下的電感值為L'=TUo2Io1-2(10)當(dāng)時L>L'時，升壓斬波電路工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時，電感電流越平直。電容在關(guān)斷

8、期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，即Q=IoT(11)則電壓變化量Uo=QC=IoTC(12)所以電容值為C=IoTUo(13)濾波電容越大，輸出電壓越平直。2.3 參數(shù)計(jì)算（1）輸出電壓Uo、負(fù)載電阻R、輸出電流Io根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可取輸入直流電壓E=50V，輸出功率Po=1kW，占空比=0.375。因此，由式（4）得輸出電壓Uo=11-E=11-0.375×50V=80V(14)負(fù)載電阻為R=(Uo2)/Po =802/1000=6.4，取標(biāo)稱值R=6.4由（6）式可得輸出電流為 Io=Uo/R=80/6.4 A=12.5A由（7）式可得電源電流為 Il=Uo/E Io=80

9、/50×12.5=20A（2）電感L、電容C要求開關(guān)頻率 fs=5KHz，所以開關(guān)周期T=1fs=2×10-4s。由式（10）可得在臨界狀態(tài)下的電感值為 L'=TUo2Io1-2 =2×10-4×1002×3×0.375×1-0.3752=9.375×10-5H為使升壓斬波電路工作在連續(xù)狀態(tài)下，取L=1×10-4H。確定電容的計(jì)算要求輸出電壓脈率小于10%，取5%，則Uo=Uo×5%=4V。代入式（13）可得C=IoTUo=3×0.375×2×10-44=5

10、.6×10-5F為使輸出電壓較平直，取電容值C=5.625×10-5F。（3）IGBT 當(dāng)IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為50V；而當(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為3A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流Ic=6A，反向擊穿電壓Bvceo=100V的IGBT，而一般的IGBT都滿足要求。(4) 續(xù)流二極管 其承受最大反壓50V，其承受最大電流趨近于10A，考慮2倍裕量，故需選擇UN200V，IN10A的二極管。3 分單元電路設(shè)計(jì)3.1控制電路設(shè)計(jì)3.1.1 控制電路方案的選擇控制電路主要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通

11、斷，同時能夠通過對占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖調(diào)寬型；2）保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3）ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。其中，又以第1種應(yīng)用最多，故本設(shè)計(jì)中也采用PWM控制。PWM控制就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈

12、沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行控制。升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅(qū)動器件，其柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻。使IGBT開通的柵射極間的驅(qū)動電壓一般取1520V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（-5-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩，改電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。本設(shè)計(jì)中，控制電路以SG3525為核心構(gòu)成。SG3525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM

13、控制集成電路，它采用衡頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。SG3525其內(nèi)部包含精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等，實(shí)現(xiàn)PWM控制所需的基本電路，并含有保護(hù)電路。其電路圖如圖3所示圖3 SG3525電路圖3.1.2 SG3525的工作原理SG3525的腳16 為5.1V基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器，同時振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、

14、同相輸入端，該放大器是一個兩級差分放大器。通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。通過調(diào)節(jié)R6，可在OUTA、OUTB兩端輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差180°,占空比可調(diào)的矩形波(即PWM信號)。3.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以直接驅(qū)動IGBT，因此需要外加驅(qū)動電路。驅(qū)動電路是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗，具體來講IGBT的驅(qū)動要求動態(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

15、電路中的其他元件不會被損壞。其次能向 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。而且要具有柵壓限幅電路，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。最后當(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(shí)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。在本設(shè)計(jì)中，直接采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有電源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性

16、比較好。如圖4所示，控制電路所輸出的PWM信號通過TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號放大以驅(qū)動IGBT。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。 圖4 驅(qū)動電路3.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護(hù)功能，如圖5所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護(hù)作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護(hù)功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關(guān)電源在開機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。 圖5 電壓和電流保護(hù)電路4 總電路圖如圖6所示。220V的交流電經(jīng)變壓器變

17、壓后輸入到由D9、D10、D11、D12四個整流二極管組成的整流電路輸入端 。經(jīng)整流后電壓含有較大的紋波，故通過L3、C4組成的LC低通濾波器進(jìn)行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下來就是由電感L4、斬波器件IGBT、電力二極管D14、電容C6組成的升壓斬波電路。通過調(diào)節(jié)滑動電阻器R6改變驅(qū)動信號PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)輸出到負(fù)載R5兩端電壓。 圖6 總原理圖5 課程設(shè)計(jì)總結(jié)回顧起此次的電力電子課程之IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會，可以說這次IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)是在自己用心努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。在兩個星期的日子里，可以說自己每天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西。設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槭堑谝淮巫?，難免會遇到各種各樣的問題。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關(guān)資料，并與同課題同學(xué)互相討論，交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，若遇到實(shí)在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學(xué)到了不少知識。通過本次課程設(shè)計(jì)讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學(xué)科的重要性。通過這次設(shè)計(jì)，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識和實(shí)踐還是有一定的差