基于IGBT的降壓斬波電路

1引言隨著電力電子技術(shù)的高速開展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。電子設(shè)備的小型化和低本錢化使電源向輕、薄、小和高效率方向開展。開關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速性能、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要。計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域和高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件的開展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器構(gòu)造強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法，調(diào)節(jié)電阻即可改變端電壓，到達(dá)調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。目前,市場上用的最多的IGBT直流斬波器,它是屬于全控型斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國際上先進(jìn)的電力電子器件IGBT，由門極電壓控制，從根本上克制了晶閘管斬波器及GTR斬波器的缺點(diǎn)。該斬波器既能為煤礦窄軌電機(jī)車配套的調(diào)速裝置，針對(duì)不同的負(fù)載對(duì)象，做一些少量的改動(dòng)又可用于其它要求供電電壓可調(diào)的直流負(fù)載上。與可控硅脈沖調(diào)速方式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最根本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾千赫茲頻率圍，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的開展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率開展的趨勢，促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的開展。本系統(tǒng)正是基于IGBT的直流斬波作為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2課程設(shè)計(jì)的方案2.1概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合電力電子所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，并在實(shí)踐的根本技能方面進(jìn)展一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地穩(wěn)固和應(yīng)用電力電子課程中所學(xué)的根本理論和根本方法。應(yīng)用場合：應(yīng)用于電力機(jī)車和高速動(dòng)車組,風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速等工業(yè)控制領(lǐng)域。系統(tǒng)功能介紹：IGBT降壓斬波電路,可通過IGBT的通斷，控制電機(jī)兩端電壓的變化，從而到達(dá)直流調(diào)速的目的，系統(tǒng)具有過壓過流保護(hù)電路。2.2系統(tǒng)組成總體構(gòu)造直流斬波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。它在電源的設(shè)計(jì)上有很重要的應(yīng)用。一般來說，斬波電路的實(shí)現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于IGBT的降壓斬波電路。系統(tǒng)電路主要分為三個(gè)局部，分別為主電路模塊，觸發(fā)電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊,其次還需要整流電路和保護(hù)電路。系統(tǒng)整體框圖如圖2.1所示。觸發(fā)電路觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)電路電源主電路整流電路保護(hù)電路圖2.1系統(tǒng)整體框圖3硬件設(shè)計(jì)3.1整流電路設(shè)計(jì)供應(yīng)斬波的直流電是由交流電經(jīng)整流后得到的，其匝數(shù)比經(jīng)計(jì)算為1:0.75。整流橋后加大電容和大電感對(duì)電壓和電流進(jìn)展濾波。整流電路如圖3.1所示。圖3.1整流電路由任務(wù)要求可知要求供應(yīng)斬波的直流電壓為210V。觸發(fā)電路的PWM調(diào)節(jié)圍為10%--90%,當(dāng)觸發(fā)電路占空比為90%時(shí)輸出電壓最大為額定電壓。觸發(fā)器占空比90%時(shí)負(fù)載電壓：QUOTEUR=210V整流橋輸出電壓:U1=210/0.9=233.33VQUOTE變壓器二次側(cè)電壓有效值為：QUOTEU2=233/√2=164.76V變壓器二次側(cè)電流最大有效值為：QUOTEI2=1.2A變壓器一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)比：QUOTEN1:N2=1:0.753.2主電路設(shè)計(jì)主電路是整個(gè)斬波電路的核心，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是降壓斬波電路模塊，通過降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩端電壓調(diào)節(jié)，從而到達(dá)對(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。主電路如圖3.2所示。圖3.2主電路如圖3.2所示，IGBT在控制信號(hào)的作用下開通與關(guān)斷。開通時(shí)，二極管截止，電流QUOTE流過大電感L，電源給電感充電，同時(shí)為負(fù)載供電。而IGBT截止時(shí)，電感L開場放電為負(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α由控制信號(hào)的占空比來決定。這也就是降壓斬波電路的工作原理。降壓斬波的典型波形如圖3.3所示。圖3.3降壓斬波波形圖圖3.2中的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，是一種放電動(dòng)式負(fù)載。反電動(dòng)勢負(fù)載有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。分別入圖3.3中a〕和b〕所示。無論哪一種情況，輸出電壓的平均值都與負(fù)載無關(guān)，其大小為：〔3-1〕TON表示導(dǎo)通的時(shí)間；QUOTETOFF表示截止的時(shí)間；α表示導(dǎo)通時(shí)間占空比。對(duì)于輸出電流，當(dāng)QUOTEU0>E時(shí)，電流連續(xù),輸出電流平均值大小為：〔3-2〕QUOTE當(dāng)U0<E時(shí)，電流既無法通過IGBT也無法通過二極管。于是出現(xiàn)了電流斷續(xù)的現(xiàn)象。一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，因此需要通過控制信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)來維持負(fù)載的電流。3.3觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)電路需要實(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，通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)到達(dá)控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間TONQUOTE，稱為脈沖寬度調(diào)制；保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制；3〕導(dǎo)通時(shí)間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因?yàn)閿夭娐酚腥N控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)展調(diào)制的技術(shù)。這種電路改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖等幅，僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)展控制。對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因?yàn)橐筝敵鲭妷哼B續(xù)可調(diào)，所以本設(shè)計(jì)選用一般的PWM發(fā)生芯片來進(jìn)展連續(xù)控制。對(duì)于PWM發(fā)生芯片，本設(shè)計(jì)選用了SiliconGeneral公司的SG3525芯片，其引腳圖如圖3.4所示。圖3.4SG3525觸發(fā)芯片SG3525是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒定頻率寬度調(diào)制控制方案，部包括精細(xì)基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、分頻器和保護(hù)電路等。其11和14腳輸出兩個(gè)等頻率等幅、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。其6和腳7有一個(gè)雙門限比擬器，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。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片部誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。本設(shè)計(jì)所用觸發(fā)電路如圖3.5所示。圖3.5SG3525觸發(fā)電路由于SG3525的振蕩頻率可表示為：式中：Ct，Rt分別是與腳5和腳6相連的振蕩器的電容和電阻，Rd是與腳7相連的放電端的電阻。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為5.7kHz，所以由上式可取Ct=0.01μF,Rt=,Rd=5.。可得QUOTEf=5.7kHz，滿足要求。3.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的作用是將芯片輸出的脈沖進(jìn)展功率放大，以驅(qū)動(dòng)IGBT。對(duì)于保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求，我們遵從以下四點(diǎn)：1〕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。2〕能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15V左右的正向柵射驅(qū)動(dòng)電壓比擬恰當(dāng)，取-5V反向柵射驅(qū)動(dòng)電壓能讓IGBT可靠截止。3〕具有柵射驅(qū)動(dòng)電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20V,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此圍可能破壞柵極。QUOTE4〕當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間通過逐漸降低柵射驅(qū)動(dòng)電壓自動(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)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電路還要注意其他幾個(gè)問題。主要是要選擇適宜的柵極電阻Rg和Rge。以及要有足夠的輸入輸出電隔離能力，要能夠保證輸入輸出信號(hào)無延時(shí)。經(jīng)資料查找確定了本設(shè)計(jì)所用日本FUJI公司的E*B841芯片，它具有單電源，正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性。其功能比擬完善，在國的到了廣泛應(yīng)用。E*B841工作原理如圖3.6所示。圖3.6E*B841部原理圖1〕正常開通過程：當(dāng)E*B841輸入端腳14和腳15有10mA的電流流過時(shí)，光耦合ISO1導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降至0V，V1和V2截止。V2截止使D點(diǎn)電位上升至20V，V4導(dǎo)通，V5截止，E*B841通過V4及柵極電阻Rg向一個(gè)IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)通。2〕正常關(guān)斷過程：控制電路使E*B841輸入端腳14和腳15無電流流過，光耦合ISO1不通，A點(diǎn)電位上升使V1和V2導(dǎo)通。V2導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，使E*B841的腳3電位迅速下降至0V，使IGBT可靠關(guān)斷。本設(shè)計(jì)E*B841驅(qū)動(dòng)電路如圖3.7所示。圖3.7E*B841驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)展了優(yōu)化：驅(qū)動(dòng)電路中D11起保護(hù)作用，防止E*B841的6腳承受過壓，通過D6檢測是否過流，接D7的目的是為了改變E*B模塊過流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過高的保護(hù)閥值從而解決過流保護(hù)閥值太高的問題。R11和C9及D10接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。D8和D9防止柵極和發(fā)射極出現(xiàn)電壓，R12是防止IGBT誤導(dǎo)通。3.5保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)于保護(hù)電路在觸發(fā)電路和驅(qū)動(dòng)電路上都有表達(dá)，SG3525和E*B841都集成了電流電壓的保護(hù)電路。IGBT上也設(shè)計(jì)了對(duì)主器件的保護(hù)電路。在系統(tǒng)整流后也加熔斷器進(jìn)展過流保護(hù)。主器件IGBT的保護(hù)如圖3.8所示。圖3.8IGBT保護(hù)電路對(duì)于IGBT保護(hù)電路，當(dāng)?shù)竭_(dá)—定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過電壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了到達(dá)保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉局部過壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路還存在故障信號(hào)不穩(wěn)定的問題，這些問題將傷害IGBT，所以在驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)展了改良。如圖3.9所示。圖3.9驅(qū)動(dòng)故障封鎖電路故障封鎖電路：當(dāng)IGBT正常工作時(shí)E*B841的5腳是高電平，此時(shí)光耦合6N137截止，其6腳為高電平，從而V1導(dǎo)通，于是電容C12不充電，NE555P的3腳輸出高電平，輸入信號(hào)被接到15腳，E*B841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT。當(dāng)E*B841檢測到過流時(shí)E*B841的5腳變?yōu)榈碗娖?，于是光耦合?dǎo)通使V1截止，+5V電壓經(jīng)R15和R16對(duì)C13充電,R15和R16總電阻為90K，C13為100pF，經(jīng)過5QUOTEμs后NE55P的3腳輸出為低電平，通過與門將輸入信號(hào)封鎖。因?yàn)?，E*B841從檢測到IGBT過流到對(duì)其軟關(guān)斷完畢要10μs，此電路延遲5μs工作是因?yàn)樾酒瑱z測到過流到E*B41的5腳信號(hào)為低電平需要5μs，這樣經(jīng)過NE55P定時(shí)器延時(shí)5μs，使IGBT軟開關(guān)斷后再停頓輸入信號(hào)，防止立即停頓輸入信號(hào)造成硬關(guān)斷，傷害IGBT?？傭?qū)動(dòng)電路如圖3.10所示。圖3.10總驅(qū)動(dòng)電路4仿真設(shè)計(jì)4.1MATLAB仿真設(shè)計(jì)在電力電子設(shè)計(jì)過程中利用MATLAB來進(jìn)展仿真建模分析有很大的好處，它不但非常方便而且能夠在很大程度圍減少因設(shè)計(jì)問題而造成的浪費(fèi)。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。這里的仿真主要是運(yùn)用MATLAB軟件中的Simulink工具。先從Simulink的元件庫中找到需要用的元件，然后搭建相應(yīng)的主電路，設(shè)置好參數(shù)后即可進(jìn)展仿真。在MATLAB軟件中翻開Simulink窗口在Model里放置器件，本設(shè)計(jì)仿真的是降壓斬波電路。所用到的Simulink元件有：直流電壓源:DCVoltageSource脈沖發(fā)生器:PulseGenerator絕緣柵雙極晶體管:IGBT二極管：DiodeRLC串聯(lián)電路：SeriesRLCBranch電壓測量模塊：VoltageMeasurement電流測量模塊：CurrentMeasurement示波器：Scope平均值測量模塊：MeanValue數(shù)字顯示器：Display輸出端：Out元件參數(shù)的設(shè)定：直流電壓源設(shè)定為整流電路輸出電壓210V。觸發(fā)信號(hào)設(shè)定為觸發(fā)電路輸出信號(hào)1V，頻率要求5.7KHZ，所以周期0.000175s。負(fù)載由額定電壓和額定電流求得175。電感設(shè)定0.05H。反電動(dòng)勢設(shè)定20V。仿真電路如圖4.1所示。圖4.1仿真電路仿真電路做好后設(shè)定參數(shù)：仿真時(shí)間：0.08s算法：ode23s90%占空比、50%占空比、10%占空比仿真波形如圖4.2和4.3及4.4所示。圖4.290%PWM電路圖4.350%PWM電路圖4.410%PWM電路4.2MATLAB仿真分析對(duì)于仿真電路，我們可通過平均測量模塊得到：90%PWM電壓平均測量模塊：188.1V90%PWM電流平均測量模塊：0.9616A50%PWM電壓平均測量模塊：104.8V50%PWM電流平均測量模塊：0.4843A10%PWM電壓平均測量模塊：22.94V10%PWM電流平均測量模塊：0.0158A通過上述數(shù)據(jù)可知：在占空