IGBT降壓斬波電路

PAGEPAGE21目錄TOC\o"1-3"\h\u137041緒論 1274381.1電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1316161.2IGBT模塊的簡介 2234682方案的設(shè)計(jì) 3227673軟件設(shè)計(jì) 4215673.1主電路的設(shè)計(jì) 4255293.2控制電路的設(shè)計(jì) 4248263.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 557233.3保護(hù)電路分析 777373.4參數(shù)的選取 8164614仿真結(jié)果與分析 9225214.1仿真原理圖的創(chuàng)建 9221304.2參數(shù)的設(shè)置 933244.3仿真結(jié)果分析 1131145總結(jié) 15154046參考文獻(xiàn) 161緒論1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(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）兩個分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(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)（PowerElectronics）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個不同的角度來稱呼的。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應(yīng)管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點(diǎn)是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關(guān)斷），使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT可看作MOSFET和BJT的復(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅(qū)動，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關(guān)注的是所能轉(zhuǎn)換的電功率。電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。1.2IGBT模塊的簡介IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。圖1所示為一個N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)(包括P+和P一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)(Subchannelregion)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)(Draininjector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴(少子)，對N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。2方案的設(shè)計(jì)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，我所設(shè)計(jì)的是基于IGBT的降壓斬波短路。直流降壓斬波電路主要分為三個部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制IGBT的開通和關(guān)斷來控制IGBT降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。3軟件設(shè)計(jì)3.1主電路的設(shè)計(jì)降壓斬波電路(BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖2所示。圖中V為全控型器件IGBT。D為續(xù)流二極管。由圖2中V的柵極電壓波形UGE可知，當(dāng)V處于通態(tài)時，電源Ui向負(fù)載供電，UD=Ui。當(dāng)V處于斷態(tài)時，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為：（1）式（1）中ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期,a為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?a=ton/T)。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比α，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。(a)電路圖(b)波形圖圖2降壓斬波電路的原理圖及波形3.2控制電路的設(shè)計(jì)根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型：保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；導(dǎo)通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有很多。這里我使用的是IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如下。圖3PWM信號產(chǎn)生電路SG3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IGBT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制電路和主電路進(jìn)行電氣隔離。3.2驅(qū)動電路的設(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以直接驅(qū)動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計(jì)中還學(xué)要有帶電器隔離的部分。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點(diǎn)：1）動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，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(guān)延時，同時要保證當(dāng)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(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?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。3）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)動信號超出此范圍可能破壞柵極。4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。當(dāng)然驅(qū)動電路還要注意其他幾個問題。主要是要選擇合適的柵極電阻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這里，我是使用了EXB841集成電路作為IGBT的驅(qū)動電路。EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)EXB841輸人端腳14和腳15有10mA的電流流過時，光禍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，EXB841通過V4及柵極電阻Rg向一個IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)通?？刂齐娐肥笶XB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光藕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EXB841的腳3電位迅速下降至0V(相對于EXB841腳1低5V)，使IGBT可靠關(guān)斷。設(shè)IGBT已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V4導(dǎo)通，V5截止，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位穩(wěn)定在8V左右，Vzi不被擊穿，V3截止，E點(diǎn)電位保持為20V，二極管VD6截止。若此時發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退飽和，Uce上升很多，二極管VD7截止，則EXB841的腳6"懸空”,B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由8V上升;當(dāng)上升至13V時，VZ，被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R，和V3放電，E點(diǎn)電位逐步下降，二極管VU6導(dǎo)通時D點(diǎn)電位也逐步下降，使EXB841的腳3電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT。對于EXB841，它本身存在一些不足之處。例如過流保護(hù)閾值過高，保護(hù)存在盲區(qū)，軟關(guān)斷保護(hù)不可靠，負(fù)偏壓不足，過流保護(hù)五自鎖功能等。為此，對驅(qū)動電路進(jìn)行了一些優(yōu)化，還增加了故障信號封鎖電路。這些主要都是為了加強(qiáng)對電路的保護(hù)，屬于保護(hù)電路的范疇。驅(qū)動電路原理圖如圖下所示。圖4驅(qū)動電路原理圖3.3保護(hù)電路分析保護(hù)電路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信號封鎖電路。驅(qū)動電路中VZ5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB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。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，電阻Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題，可如圖4所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬進(jìn)行封鎖，從而保證軟關(guān)斷的順利進(jìn)行。該電路解決了EXB841存在的過電流保護(hù)無自鎖功能這一問題。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該電路在正常工作時，可以通過EXB841的3腳發(fā)出+15V和-5V電壓信號驅(qū)動IGBT開通和關(guān)斷，當(dāng)IGBT發(fā)生過流時該電路能可靠地進(jìn)行軟關(guān)斷。針對EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)。圖4下半部分所示為故障信號的封鎖電路。當(dāng)IGBT正常工作時EXB841的5腳是高電平，此時光耦6N137截止，其6腳為高電平，從而V1導(dǎo)通，于是電容C6不充電，NE555P的3腳輸出為高電平，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT。當(dāng)EXB841檢測到過電流時EXB841的5腳變?yōu)榈碗娖?，于是光耦?dǎo)通使V1截止，+5V電壓經(jīng)凡和R4對幾充電，R5和R，的總阻值為90KΩ,C6為100pF，經(jīng)過5us后NE555P的3腳輸出為低電平，通過與門將輸人信號封鎖。因?yàn)镋XB84從檢測到IGBT過電流到對其軟關(guān)斷結(jié)束要10ms，此電路延遲5us，工作是因?yàn)镋XB841檢測到過電流到EXB841的5腳信號為低電平需要5us，這樣經(jīng)過NE555P定時器延遲5ms使IGBT軟關(guān)斷后再停止輸人信號，避免立即停止輸人信號造成硬關(guān)斷。3.4參數(shù)的選取根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為的直流電壓源，選取降壓斬波電路的占空比為，則輸出電壓，輸出功率（2）要求輸出功率為，可計(jì)算出負(fù)載電阻。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成IGBT功率開關(guān)的驅(qū)動電路。計(jì)算：由公式（3）周期可由開關(guān)頻率得出為，把、、代入上式得出，當(dāng)時，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時，電感電流越平直。取。計(jì)算：由公式（4）要求脈動率，取，計(jì)算，代入上式計(jì)算出，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可取電容。4仿真結(jié)果與分析4.1仿真原理圖的創(chuàng)建運(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)行仿真。仿真原理圖如圖5所示；圖5仿真原理圖4.2參數(shù)的設(shè)置直流電壓值為100V，設(shè)置如圖6所示；圖6電壓參數(shù)設(shè)定負(fù)載電阻為，設(shè)置如圖7所示；圖7電阻參數(shù)的設(shè)定（3）電容為，設(shè)置如圖8所示；圖8電容參數(shù)的設(shè)定（4）電感參數(shù)設(shè)定為，設(shè)置如圖9所示；圖9電感參數(shù)的設(shè)定（5）周期設(shè)置為，如圖10所示；圖10周期的設(shè)定（6）示波器的時間范圍為0.001S，設(shè)置如圖11所示；圖11示波器時間范圍的設(shè)定4.3仿真結(jié)果分析在設(shè)計(jì)要求10%—90%范圍逐漸改變其占空比進(jìn)行調(diào)試，得到如下結(jié)果。（1）設(shè)置占空比為10%時，得到的波形圖如圖12所示；圖12占空比為10%的仿真圖（2）設(shè)置占空比為30%時，得到的波形圖如圖13所示；圖13占空比為30%的仿真圖（3）設(shè)置占空比為50%時，得到的波形圖如圖14所示；圖14占空比為50%的仿真圖（4）設(shè)置占空比為90%時，得到的波形圖如圖15所示；圖15占空比為90%的仿真圖仿真波形圖從上到下的波形依次為IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、電感電流IL。電感電流連續(xù)，各個波形與圖2的理論波形規(guī)律一致。由仿真波形圖可知，占空比越大，負(fù)載輸出電壓越大，調(diào)節(jié)時間越長。由公式（5）