IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)(純電阻負(fù)載)

1、課題名稱：IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）前言 31、主電路的設(shè)計(jì)31.1 工作原理 41.2 參數(shù)的計(jì)算 52 控制電路設(shè)計(jì) 72.1 控制電路方案選擇 72.2 SG3525的工作原理2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)92.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 102.4.1 斬波器的散熱設(shè)計(jì)：102.4.2 過(guò)電流保護(hù)電路：102.4.31 GBT的保護(hù)設(shè)計(jì)：113 系統(tǒng)仿真與分析133.4 仿真軟件MATLAB簡(jiǎn)介 133.5 仿真模型的建立 133.6 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析 14參考文獻(xiàn)16前言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?/p>

2、或可調(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(zhuān)用PWM控制集成電路SG3525進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并利用MATLAB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)。關(guān)鍵詞 :直流變直流；升壓斬波電路；IGBT； SG35251、主電路的設(shè)計(jì)升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖1 所示1 升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖1.1 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

3、 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)得到高于電源的電壓，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 I1 ，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uo為恒值，記為Uo。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)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(shí)E和 L 共同向電容C充電，并向負(fù)載R提

4、供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時(shí)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(shí)，一個(gè)周期T 中電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相等，即化簡(jiǎn)得式中， T/toff 1, 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，即可改變輸出電壓U0的大小。將升壓比的倒數(shù)記作 ，即 =toff/T 。則 和占空比 有如下關(guān)系 + =1因此，式(2)可表示為：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

5、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(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo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EIl=UoIo （5）該式表明，升壓斬波電路可看成是直流變壓器。1.2 參數(shù)的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇選大小為50V的直流電壓源，選取升壓斬波電路的占空比為%1090%。因此，輸出電壓55.56V500V。又因?yàn)橐筝敵龉β?000W，可計(jì)算出負(fù)載電阻3.1 250 。

6、在控制開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間ton ，電流從電源正極流出，經(jīng)過(guò)電感從開(kāi)關(guān)流回電源負(fù)極。 電容C向R供電，輸出電壓Uo上正下負(fù)。電源電壓Ui 全部加到電感兩端uL=Ui，在該電壓作用下，電感電流iL 線性增長(zhǎng)。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為：在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間toff ， iL 經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負(fù)右正，認(rèn)為電感很大，iL 不變。這樣，電源和電感同時(shí)給電容C和負(fù)載R供電，負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。電感電壓，電感電流iL 線性減小。在關(guān)斷時(shí)間toff 內(nèi)，電感電流減小量的絕對(duì)值為：當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL 波形必然周期性重復(fù)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間電感電流 iL 的增量等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感電流iL

7、 的減少量，即聯(lián)立 （ 1）（2）式可得輸出電壓是一個(gè)小于1 的數(shù)，故輸出電壓比輸入電壓大。從能量守恒角度分析（假設(shè)電感足夠大，電流平直），電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間吸收的能量（UiIton ）與開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（Ui-Uo）Itoff ）相等。列出等式：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(shí)，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為：忽略損耗，有Pi=Po聯(lián)立式（1）（4）（5）得臨界電感值為確定電容的計(jì)算: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，則電壓變化量可決定脈動(dòng)率。計(jì)算 ： 由式（6）T 可由開(kāi)關(guān)頻

8、率5KHz得出為，把代入上式得出3.704*10（-3）H ，當(dāng)時(shí)，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時(shí)，電感電流越平直?？蛇m當(dāng)取較大計(jì)算C： 由式(8)，要求脈動(dòng)率<10%，取10%，計(jì)算=(5.56V50V)， 代入上式計(jì)算出6.0*10(-3)F ， 濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當(dāng)取較大的電容值。IGBT選型： IGBT所受最大正向電壓為500V,當(dāng) =1 時(shí)，iL=20A， IGBT集電極最大接續(xù)電流選40A，反向擊穿電壓為100V。所以Uces=500V， Ic=40A。續(xù)流二極管選型：最大正向電壓為50V， 最大方向電壓為500V， 最大電流約為 20A。取兩倍裕量，所以URR

9、M=1000V,IF(AV)=40。A2 控制電路設(shè)計(jì)2.1 控制電路方案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ton ， 稱為脈沖寬度調(diào)制( PW)M或脈沖調(diào)寬型；2) 保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton 不變， 改變開(kāi)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(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，

10、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?，因此脈沖既是等幅的，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)千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）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

11、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)Silicon General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2 所示2 SG3525 電路圖2.2 SG3525 的工作原理SG3525的腳16 為基準(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(guò)流保護(hù)電路。腳6、腳7 內(nèi)有一

12、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)R7，可在OUTA、 OUTB兩端輸出兩個(gè)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(hào)） 。2.3 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電

13、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?，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(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

14、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。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 3 所示，控制電路所輸出的PWM信號(hào)通過(guò)TLP521-1 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 驅(qū)動(dòng)電路2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)2.4.1 斬波器的散熱設(shè)計(jì)：熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際較流行的散熱方式，國(guó)內(nèi)近年來(lái)發(fā)展較快，被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體”，已廣泛用于車(chē)輛

15、電傳動(dòng)系統(tǒng)，熱管的主要 特 點(diǎn) ：高 效 的 導(dǎo) 熱 性 ， 高 度 的 等 溫 性 ， 熱 流 密 度 變 換 能 力 強(qiáng) ， 結(jié) 構(gòu) 多 樣 靈 活、重量輕。由于IGBT模塊的開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)損耗大，特別是對(duì)大功率IGBT模塊，一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率IGBT模塊散熱。 目前適合于大功率IGBT模塊的熱管散熱器的熱阻可以達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)以下。2.4.2 過(guò)電流保護(hù)電路：過(guò)電流保護(hù)采用的是在主電路中串聯(lián)一個(gè)1的電阻，在其兩端并聯(lián)電磁繼電器的線圈。過(guò)流保護(hù)信號(hào)取自電阻兩端的電壓，當(dāng)主電路的電流高于一定數(shù)值時(shí)，電磁繼電器的開(kāi)關(guān)閉合，接通低電平，該過(guò)

16、電流信號(hào)還送到SG3525的腳 10。 在 SG3525內(nèi)部由于T3基極與A端線相連，A端線由低電壓上升為邏輯高電平，經(jīng)過(guò)SG3525A的 13 腳輸出為高電平，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失。在電路中，過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門(mén)的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門(mén)的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。2.4.3IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)：在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對(duì)IGBT的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計(jì)好對(duì)開(kāi)關(guān)管IGBT的保護(hù)方案。在設(shè)計(jì)對(duì)IGBT的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對(duì)過(guò)電流保護(hù)和開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù)。IGBT的過(guò)

17、流保護(hù)電路可分為2 類(lèi)：一類(lèi)是低倍數(shù)的（1.2 1.5 倍）的過(guò)載保護(hù)；一類(lèi)是高倍數(shù)（可達(dá)8 10 倍）的短路保護(hù)。對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過(guò)載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V 的 IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5 s，而飽和壓降3V的 IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá) 15 s， 4 5V時(shí)可達(dá)30 s 以

18、上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低， IGBT 的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2 種。 軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過(guò)故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt 增大。 所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在

19、這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt ，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/ s。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)于IGBT的開(kāi)通來(lái)說(shuō)，集電

20、極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開(kāi)通損耗，承受較高的開(kāi)通電流上升率。一般情況下IGBT開(kāi)關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開(kāi)通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以控制。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 4 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。4 電壓和電流保護(hù)電路3 系統(tǒng)仿真與分析3.1 仿真軟件Matlab 簡(jiǎn)介在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往

21、要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來(lái)說(shuō)難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序做近似計(jì)算。目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是MATLA。B MATLAB是一種功能強(qiáng)、 效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。本次課程設(shè)計(jì)仿真便是采用MATLA，B利用其面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System 工具箱進(jìn)行主電路的仿真與設(shè)計(jì)。3.2 仿真模型的建立IGBT 升壓斬波電路模型主要由直流電源、同步觸發(fā)脈沖、IGBT、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的IGBT升壓斬波電路