IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、目錄1引言42方案設(shè)計(jì)52.1 升壓斬波電路原理.52.2 工作原理.62.3 參數(shù)計(jì)算73分單元電路設(shè)計(jì)93.1 控制電路設(shè)計(jì).91 .1.1控制電路方案的選擇93 .1.2SG3525的工作原理103.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)103.3 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)151引言電力電子技術(shù)(PowerElectronics)也稱(chēng)為電力電子學(xué)。利用電力電子開(kāi)關(guān)器件組成電力開(kāi)關(guān)電路，利用晶體管集成電路和微處理器構(gòu)成信號(hào)處理和控制系統(tǒng)，對(duì)電力開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，可以經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)模式的電力變換和電力控制，包括電壓(電流)的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。

2、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?，F(xiàn)己成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)不可缺少的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專(zhuān)業(yè)人才中占有重要地位。宜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(chēng)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(zhuān)用PWM控制集成電路SG3525進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并利用MATLAB的PowerSystem工具箱進(jìn)行主電路的仿真

3、實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，是一次比較成功的設(shè)計(jì)。2方案設(shè)計(jì)控制與驅(qū)動(dòng)電直流電源保護(hù)電路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(dòng)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(kāi)通與關(guān)斷的時(shí)間占空比來(lái)決定輸出電壓Uo的大小。控制與驅(qū)動(dòng)電路模塊：用直接產(chǎn)生PWM的專(zhuān)用芯片SG3525產(chǎn)生PWM信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷。電路模塊：驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路模塊：控制電路中的保護(hù)電路是用來(lái)保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過(guò)電流現(xiàn)象損害

4、電路設(shè)備。2.1升壓斬波電路原理a)|山咯陷%*。II!:；AIIIII圖2斬波電路2.2工作原理在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能：當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高石電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通時(shí)電容的放電回路。調(diào)節(jié)開(kāi)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(shí)，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(kāi)關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為h，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電。因C值很大，基本保持輸出電壓u。為恒值，記為U。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為

5、此階段電感L上積蓄的能量為EI小。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)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(shí)間為則在此期間電感L釋放的能量為(Uo-E)ht.Ho當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即ELt0廣(Uo-E)(1)化簡(jiǎn)得Uo=biZl2!LE=E(2)tofftoff式中，T/toff2L輸出電壓高于電源電壓，故稱(chēng)該電路為升壓斬波電路。乂稱(chēng)boost變換器(BoostConverter)o式(2)中T/toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓U0的大小。將升壓比的倒數(shù)記作0,即B二竿。則B和占空比a有如下關(guān)系a+p=1(3)因此，式(2)可表

6、示為：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(gè)原因:一是電感L儲(chǔ)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)期間閃電容C的作用使得輸出電壓U。不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于式(4)所得結(jié)果。不過(guò)，在電容C值足夠大時(shí)，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?jī)H由負(fù)載R消耗，即EIUoIo(5)該式表明，升壓斬波電路可看成是直流變*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I。為1。=%=?(6)°RBR由式(5)即可得出電源電流h為

7、IU。Y1E/n1|=豆1。=笆彳(1)下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在T時(shí)刻電感電流丸剛好降到0,則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時(shí)電感電流平均侑.為I】=弟&=冬虱1-«)乂由式(4)和式(5)可得”1一a(9)聯(lián)立式(8)、(9)可得，在臨界狀態(tài)下的電感值為1=畢。(1-q)2(10)當(dāng)時(shí)L>L'時(shí)，升壓斬波電路工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時(shí)，電感電流越平直。電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開(kāi)通期間吸收的電荷相等，B|J(11)AQ=I0«T則電壓變化量(12)所以電容值為(13)IoctTC=AU。濾波電容越大，輸出電壓越平直。2.3參數(shù)計(jì)算(1

8、)輸出電壓U。、負(fù)載電阻R、輸出電流I。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可取輸入直流電壓E=5OV,輸出功率Po=lkW,占空比a-0.375o因此，由式(4)得輸出電壓負(fù)載電阻為11-0.375x50V=80V(14)R=(Uo2)/Po=K8022/1000=6.4Q,取標(biāo)稱(chēng)值R=6.40由（6）式可得輸出電流為Io=Uo/R=80/6.4A=12.5A由（7）式可得電源電流為Il=Uo/EIo=80/50X12.5=20A（2）電感L、電容C要求開(kāi)關(guān)頻率fs=5KHz,所以開(kāi)關(guān)周期T=5=2x104$。由式（10）可得在臨界狀態(tài)下的電感值為T(mén)TJL'=.aQ-a)22X10-4X100,eX0.3

9、75X(1-0.375)2=9.375X10-5H2x3為使升壓斬波電路工作在連續(xù)狀態(tài)下，取L=1x10-4Ho確定電容的計(jì)算要求輸出電壓脈率小于10%，取5%,則MJ。=UoX5%=4V。代入式（13）可得C=4-=3X0.375X2X10-4/4=5.6X10-5AU。F為使輸出電壓較平直，取電容值05.625x10-4。（3） IGBT當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為50V；而當(dāng)a二1時(shí)，IGBT有最大電流,其值為3A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流L=6A,反向擊穿電壓Ece。=100V的IGBT,而一般的IGBT都滿(mǎn)足要求。（4）續(xù)流二極管其承受最大反

10、壓50V,其承受最大電流趨近于10A,考慮2倍裕量，故需選擇U.2200V,111210A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(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時(shí)能夠通過(guò)對(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t“，稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖調(diào)寬型：2）保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間J不變，改變開(kāi)關(guān)周期T,稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻型：3） t”和T都可調(diào)，使占空比改變，稱(chēng)為混合型。其中，乂以第1種應(yīng)用最多，故本設(shè)計(jì)中也采

11、用PWM控制。PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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(lái)獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(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海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)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(dòng)器件，其柵射極之間有數(shù)T-皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。使IGBT開(kāi)通的柵射極間的驅(qū)動(dòng)電壓一般取1520V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（-5-15V

12、）有利于減小關(guān)斷時(shí)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(dòng)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(guó)SiliconGeneral公司生產(chǎn)的專(zhuān)用PWM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(kāi)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UI圖3SG3525電路圖3.1.2 SG3525的工作原理SG3525的腳16為5.IV基準(zhǔn)電壓源輸出,精度可以達(dá)到（5.1±1%）V,采用

13、了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過(guò)流保護(hù)電路。腳6、腳7內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)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(shí)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、同相輸入端，該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。通過(guò)R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。通過(guò)調(diào)節(jié)R6,可在OUTA、OUTB兩端輸出兩個(gè)幅度相等，頻率相等，相位相差1803,占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號(hào)）。3.2驅(qū)動(dòng)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(hào)一般難以直接驅(qū)動(dòng)IGBT,因此需要外加驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是連接控制部分和主

14、電路的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)變流的成敗，具體來(lái)講IGBT的驅(qū)動(dòng)要求動(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(kāi)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。其次能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍海还扇?15V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20V,驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(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)

15、斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)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(dòng)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(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。如圖4所示，控制電路所輸出的PWM信號(hào)通過(guò)TLP521T光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)IGBT。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。3.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)升壓斬波電路需同時(shí)具有過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能，如圖5所示，均采用反饋控制,將過(guò)流過(guò)壓信號(hào)反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護(hù)作用。同時(shí)芯片SG3525也可完

16、成一定的保護(hù)功能，例如，腳8軟起動(dòng)功能，避免了開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級(jí)功率開(kāi)關(guān)管的損壞。4R2177/XR20圖5電壓和電流保護(hù)電路4總電路如圖6所示。220V的交流電經(jīng)變壓器變壓后輸入到由D9、DIO、Dll、D12四個(gè)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(guò)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(lái)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(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻器R6改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)輸出到負(fù)載R5兩端電壓。川|口片左mS3'II圖6總原理圖5課程設(shè)計(jì)總

17、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(huì)，可以說(shuō)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(gè)星期的口子里，可以說(shuō)自己每天都充滿(mǎn)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(guò)程中，因?yàn)槭堑谝淮巫?，難免會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過(guò)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(wèn)題就會(huì)及時(shí)請(qǐng)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(shí)。通過(guò)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(gè)小小的器件體會(huì)到了電力電子這門(mén)學(xué)科的重要性。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識(shí)和實(shí)踐還是有一定的差別，理論知識(shí)要應(yīng)用到實(shí)踐