IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)(純電阻負(fù)載)

第第頁目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章

緒

論 21.1

電力電子技術(shù)的介紹

21.2

電力電子技術(shù)的應(yīng)用

31.3

電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)

4第二章

系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計(jì) 42.1設(shè)計(jì)題目IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載） 42.2

系統(tǒng)的方案及其流程圖

42.3主電路的設(shè)計(jì)

52.4

參數(shù)的計(jì)算

6第三章

控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 83.1控制電路設(shè)計(jì) 83.1.1控制電路方案選擇 83.1.2

SG3525的工作原理

93.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

103.3

保護(hù)電路設(shè)計(jì)

11第29555四章系統(tǒng)仿真與分析 114.1

仿真軟件Matlab簡介

114.2

仿真模型的建立

124.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析 134.3.1仿真結(jié)果 134.3.2仿真結(jié)果分析 13致

謝 14參考文獻(xiàn)

15第一章

緒

論1.1

電力電子技術(shù)的介紹

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力換。

電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個(gè)分支。

現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)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。電力電子學(xué)（Power

Electronics）這一名稱是在上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個(gè)倒三角形（如圖）對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個(gè)不同的角度來稱呼的。

1.2

電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。

在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車、磁懸浮列車等）、電動(dòng)汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源、大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。1.3

電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)

直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車輛的無級變速及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。

第二章

系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)題目IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）設(shè)計(jì)要求1.輸入直流電壓：Ud=50v2.輸出功率：300w3.開關(guān)頻率：5KHZ4.占空比：10%~50%5.輸出電壓脈率：<10%2.2

系統(tǒng)的方案及其流程圖

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。因此，一個(gè)完整的升壓斬波電路也應(yīng)包括主電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路這些環(huán)節(jié)。直流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)電路模塊三部分成。主電路模塊，主要由全控器件IGBT的開通與關(guān)斷的時(shí)間占空比來決定輸出電壓u。的大小?？刂齐娐纺K，可直接用產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525來控制IGBT的開通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號轉(zhuǎn)換為電壓信號加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動(dòng)IGBT的開通與關(guān)斷。

系統(tǒng)總體流程圖如圖2-1圖2-1系統(tǒng)總體流程圖2.3主電路的設(shè)計(jì)

升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2-2所示圖2-2

升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2.4

參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇大小為50v的直流電壓源，選取升壓斬波電路的占空比為30%。因此，輸出電壓Uo=71.4v，輸出功率P0=Uo2/R。又因?yàn)橐筝敵龉β蕿?00W，可計(jì)算出負(fù)載電阻為17Ω。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。在控制開關(guān)開通期間ton，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關(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Ui=UL，在該電壓作用下，電感電流iL線性增長。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為：在控制開關(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UL=Ui–Uo<0，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)，開關(guān)導(dǎo)通期間電感電流iL的增量等于開關(guān)斷開時(shí)電感電流iL的減少量，即△iL+=△iL-，聯(lián)立（2-1）（2-2）式可得輸出電壓：

由上式可知，α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)，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（UiIton）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（(Uo-Ui)Itoff）相等。列出等式：解得下面確定電流連續(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)△iL=2iL，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為：

Pi=

Ui

IL、P0=Uo

Io

忽略損耗，有Pi=P0，于是

聯(lián)立式（2-1）（2-4）（2-5）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通期間吸收的能量相等，△Q=IoαT

則電壓變化量△Uo可決定脈動(dòng)率。計(jì)算Lc：由式（2-7）知Lc=(R/2)α(1-α)2T，周期T可由開關(guān)頻率5KHz得出T=2×10-4s，因?yàn)檫@里占空比α的范圍為10%~50%，這里取α=30%。把Uo

、α、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4H，當(dāng)L>Lc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，可適當(dāng)取較大的電感值。

計(jì)算C：由式（2-9）知C=(UoαT)/(R△Uo)，因?yàn)橐箅妷好}動(dòng)率<10%，這里取5%，計(jì)算△Uo=Uo×5%=3.57V，代入上式計(jì)算出C=7.06×10-5F，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當(dāng)取較大的電容值。

第三章

控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.1控制電路設(shè)計(jì)3.1.1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，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時(shí)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(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；（3）導(dǎo)通時(shí)間和周期T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。

其中第一種是最常用的方法。此次設(shè)計(jì)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)，即通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需的波形。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電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退璧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。本次設(shè)計(jì)中，控制電路以SG3525為核心構(gòu)成。SG3525為美國SilicomGeneral公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，它采用衡頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源，斬波器的控制。SG3525其內(nèi)部包含精密精準(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，其電路圖如下圖:圖3SG3525電路圖3.1.2

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)有過流保護(hù)電路。腳6、腳7

內(nèi)有一個(gè)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(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)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)。

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)在開通及關(guān)斷延時(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(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(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)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(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IGBT的電壓和電流的狀態(tài)。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信號通過TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推免電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號放大以驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路3.3

保護(hù)電路設(shè)計(jì)

升壓斬波電路需同時(shí)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(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)電路第四章

系統(tǒng)仿真與分析4.1

仿真軟件Matlab簡介

在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進(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)算一般來說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MATLAB。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MATLAB，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)。

4.2

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升壓斬波電路模型如圖7所示。圖7IGBT升壓斬波電路4.3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析4.3.1仿真結(jié)果4.3.2仿真結(jié)果分析1.電壓端輸入大小為Ui=50v的直流電2.輸出電壓Uo經(jīng)IGBT升壓斬波后輸出直流電壓理論計(jì)算值Uo=71.4v，由上面的波形圖可以看出實(shí)驗(yàn)值約為69.5v與理論值基本符合，誤差為2.66%3.I0和I14.U0和I0由功率P0=U0×I0知，P0=69.5×4.27=296.765w，誤差為1.08%。致

謝通過這一個(gè)星期的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)使我收獲頗多。本課程設(shè)計(jì)中，我不僅對IGBT升壓斬波電路從原理到實(shí)踐上有了深刻的了解，更增強(qiáng)了我對電力電子技術(shù)這門課的了解。在此次電力電力技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，我自學(xué)了MATLAB軟件在電力電子技術(shù)上的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了我的自學(xué)能力。同時(shí)，在本次設(shè)計(jì)過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己許多方面的不足，對