基于IGBT的降壓斬波電路

1引言隨著電力電子技術的高速開展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多。電子設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。開關電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設備中得到廣泛的應用。直流電動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領域中已經(jīng)得到了廣泛的應用。直流電動機的啟動和調(diào)速性能、過載能力強等特點顯得十分重要。計算機在控制領域和高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件的開展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器構造強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。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，它的主導器件采用國際上先進的電力電子器件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。該斬波器既能為煤礦窄軌電機車配套的調(diào)速裝置，針對不同的負載對象，做一些少量的改動又可用于其它要求供電電壓可調(diào)的直流負載上。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。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與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。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、中功率應用中占據(jù)了主導地位。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，電壓、電流容量大的優(yōu)點。因此，在電力電子技術應用領域中有廣闊的開展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率開展的趨勢，促進了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調(diào)速系統(tǒng)。2課程設計的方案2.1概述本次設計主要是綜合電力電子所學知識，設計出對直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，并在實踐的根本技能方面進展一次系統(tǒng)的訓練。能夠較全面地穩(wěn)固和應用電力電子課程中所學的根本理論和根本方法。應用場合：應用于電力機車和高速動車組,風力發(fā)電機調(diào)速等工業(yè)控制領域。系統(tǒng)功能介紹：IGBT降壓斬波電路,可通過IGBT的通斷，控制電機兩端電壓的變化，從而到達直流調(diào)速的目的，系統(tǒng)具有過壓過流保護電路。2.2系統(tǒng)組成總體構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。它在電源的設計上有很重要的應用。一般來說，斬波電路的實現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，本系統(tǒng)設計的是基于IGBT的降壓斬波電路。系統(tǒng)電路主要分為三個局部，分別為主電路模塊，觸發(fā)電路模塊和驅(qū)動電路模塊,其次還需要整流電路和保護電路。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)動電路電源主電路整流電路保護電路圖2.1系統(tǒng)整體框圖3硬件設計3.1整流電路設計供應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)計算為1:0.75。整流橋后加大電容和大電感對電壓和電流進展濾波。整流電路如圖3.1所示。圖3.1整流電路由任務要求可知要求供應斬波的直流電壓為210V。觸發(fā)電路的PWM調(diào)節(jié)圍為10%--90%,當觸發(fā)電路占空比為90%時輸出電壓最大為額定電壓。觸發(fā)器占空比90%時負載電壓：QUOTEUR=210V整流橋輸出電壓:U1=210/0.9=233.33VQUOTE變壓器二次側電壓有效值為：QUOTEU2=233/√2=164.76V變壓器二次側電流最大有效值為：QUOTEI2=1.2A變壓器一次側與二次側匝數(shù)比：QUOTEN1:N2=1:0.753.2主電路設計主電路是整個斬波電路的核心，本系統(tǒng)設計的是降壓斬波電路模塊，通過降壓斬波電路實現(xiàn)對電機兩端電壓調(diào)節(jié)，從而到達對電機調(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在控制信號的作用下開通與關斷。開通時，二極管截止，電流QUOTE流過大電感L，電源給電感充電，同時為負載供電。而IGBT截止時，電感L開場放電為負載供電，二極管VD導通，形成回路。IGBT以這種方式不斷重復開通和關斷，而電感L足夠大，使得負載電流連續(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中的負載為電動機，是一種放電動式負載。反電動勢負載有電流連續(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載無關，其大小為：〔3-1〕TON表示導通的時間；QUOTETOFF表示截止的時間；α表示導通時間占空比。對于輸出電流，當QUOTEU0>E時，電流連續(xù),輸出電流平均值大小為：〔3-2〕QUOTE當U0<E時，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占空比的調(diào)節(jié)來維持負載的電流。3.3觸發(fā)電路設計觸發(fā)電路需要實現(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斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)到達控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間TONQUOTE，稱為脈沖寬度調(diào)制；保持導通時間不變，改變開關周期T，成為頻率調(diào)制；3〕導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因為斬波電路有三種控制方式，又因為PWM控制技術應用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進展調(diào)制的技術。這種電路改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖等幅，僅是對脈沖的占空比進展控制。對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、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。因為要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以本設計選用一般的PWM發(fā)生芯片來進展連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生芯片，本設計選用了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，部包括精細基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等頻率等幅、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。其6和腳7有一個雙門限比擬器，設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(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。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(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?shù)姆磻a償網(wǎng)絡，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。本設計所用觸發(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)動電路設計驅(qū)動電路的作用是將芯片輸出的脈沖進展功率放大，以驅(qū)動IGBT。對于保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動電路起著至關重要的作用。對于驅(qū)動電路的設計要求，我們遵從以下四點：1〕動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關延時，同時要保證當IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。2〕能向IGBT提供適當?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15V左右的正向柵射驅(qū)動電壓比擬恰當，取-5V反向柵射驅(qū)動電壓能讓IGBT可靠截止。3〕具有柵射驅(qū)動電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20V,驅(qū)動信號超出此圍可能破壞柵極。QUOTE4〕當IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間通過逐漸降低柵射驅(qū)動電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關斷。驅(qū)動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。當然驅(qū)動電路還要注意其他幾個問題。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無延時。經(jīng)資料查找確定了本設計所用日本FUJI公司的E*B841芯片，它具有單電源，正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性。其功能比擬完善，在國的到了廣泛應用。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E*B841輸入端腳14和腳15有10mA的電流流過時，光耦合ISO1導通，A點電位迅速下降至0V，V1和V2截止。V2截止使D點電位上升至20V，V4導通，V5截止，E*B841通過V4及柵極電阻Rg向一個IGBT提供電流使之迅速導通。2〕正常關斷過程：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點電位上升使V1和V2導通。V2導通使V4截止、V5導通，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可靠關斷。本設計E*B841驅(qū)動電路如圖3.7所示。圖3.7E*B841驅(qū)動電路本設計對驅(qū)動電路進展了優(yōu)化：驅(qū)動電路中D11起保護作用，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模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。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誤導通。3.5保護電路設計對于保護電路在觸發(fā)電路和驅(qū)動電路上都有表達，SG3525和E*B841都集成了電流電壓的保護電路。IGBT上也設計了對主器件的保護電路。在系統(tǒng)整流后也加熔斷器進展過流保護。主器件IGBT的保護如圖3.8所示。圖3.8IGBT保護電路對于IGBT保護電路，當?shù)竭_—定電壓值時，自動開通保護電路，使過電壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了到達保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，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，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。對于驅(qū)動電路還存在故障信號不穩(wěn)定的問題，這些問題將傷害IGBT，所以在驅(qū)動電路上進展了改良。如圖3.9所示。圖3.9驅(qū)動故障封鎖電路故障封鎖電路：當IGBT正常工作時E*B841的5腳是高電平，此時光耦合6N137截止，其6腳為高電平，從而V1導通，于是電容C12不充電，NE555P的3腳輸出高電平，輸入信號被接到15腳，E*B841正常工作驅(qū)動IGBT。當E*B841檢測到過流時E*B841的5腳變?yōu)榈碗娖?，于是光耦合導通使V1截止，+5V電壓經(jīng)R15和R16對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封鎖。因為，E*B841從檢測到IGBT過流到對其軟關斷完畢要10μs，此電路延遲5μs工作是因為芯片檢測到過流到E*B41的5腳信號為低電平需要5μs，這樣經(jīng)過NE55P定時器延時5μs，使IGBT軟開關斷后再停頓輸入信號，防止立即停頓輸入信號造成硬關斷，傷害IGBT?？傭?qū)動電路如圖3.10所示。圖3.10總驅(qū)動電路4仿真設計4.1MATLAB仿真設計在電力電子設計過程中利用MATLAB來進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計問題而造成的浪費。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(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，然后搭建相應的主電路，設置好參數(shù)后即可進展仿真。在MATLAB軟件中翻開Simulink窗口在Model里放置器件，本設計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)的設定：直流電壓源設定為整流電路輸出電壓210V。觸發(fā)信號設定為觸發(fā)電路輸出信號1V，頻率要求5.7KHZ，所以周期0.000175s。負載由額定電壓和額定電流求得175。電感設定0.05H。反電動勢設定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定參數(shù)：仿真時間：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