IGBT直流斩波电路的设计

武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 0 目录 1 1 设计原理分析设计原理分析 1 1 1 总体结构分析 1 1 2 主电路的设计 1 1 3 触发电路的设计 2 1 4 驱动电路设计 3 1 5 保护电路分析 5 2 2 仿真分析与调试仿真分析与调试 6 2 1 建立仿真模型 6 2 2 仿真结果分析 8 3 3 确定实际参数确定实际参数 11 心得体会心得体会 12 参考文献参考文献 14 附录附录 15 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 1 IGBT 直流斩波电路的设计 1 设计原理分析 1 1 总体结构分析 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 它在电源 的设计上有很重要的应用 一般来说 斩波电路的实现都要依靠全控型器件 在这里 我所设计的是基于 IGBT 的降压斩波短路 直流降压斩波电路主要分为三个部分 分别为主电路模块 控制电路模块和驱动电 路模块 电路的结构框图如下图 图 1 所示 图 1 电路结构框图 除了上述主要结构之外 还必须考虑电路中电力电子器件的保护 以及控制电路与 主电路的电器隔离 1 2 主电路的设计 主电路是整个斩波电路的核心 降压过程就由此模块完成 其原理图如图 2 所示 图 2 主电路原理图 主电路驱动电路 电源 触发电路 t t t O O O b T E iG ton toff io i1 i2 I10I20 t1 uo O O O t t t T EE c iG iG ton toff io tx i1 i2 I20 t1 t2 uo EM E V M R L VD a io EM uo iG 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 2 如图 IGBT 在控制信号的作用下开通与关断 开通时 二极管截止 电流 io 流过大 电感 L 电源给电感充电 同时为负载供电 而 IGBT 截止时 电感 L 开始放电为负载供 电 二极管 VD 导通 形成回路 IGBT 以这种方式不断重复开通和关断 而电感 L 足够 大 使得负载电流连续 而电压断续 从总体上看 输出电压的平均值减小了 输出电 压与输入电压之比 由控制信号的占空比来决定 这也就是降压斩波电路的工作原理 降压斩波的典型波形如下图所示 图 3 降压电路波形图 图 2 中的负载为电动机 是一种放电动式负载 反电动势负载有电流断续和电流连 续两种工作状态 分别入图 3 中 b 和 a 所示 无论哪一种情况 输出电压的平均值都与负载无关 其大小为 1 1 Ton 表示导通的时 Toff 表示截止的时间 A表示导通时间占空比 对于输出电流 当 Uo E 时电流连续 输出电流平均值大小为 1 2 当 UoE 时才会有电流 设定 E 为 40V 内阻为 6 要使 输出电压 100V 时电流连续可调 则占空比必须大于 20 此时波形图如下 图 10 反电动势 20 占空比 图 11 反电动 50 占空比波形 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 11 由上述波形图可以看出 电压电流的波形仍然都近似为一条直线 电压浮动从 59 091V 到 59 099V 平均值约为 59 095V 电流浮动从 9 82V 到 9 88V 平均值约为 9 85V 此时要维持电压的连续可调 则占空比至少要达到 20 综合分析从 20 到 50 即可实现让斩波电路能够连续可调 3 确定实际参数 结合仿真过程的想象和分析 先确定纯电阻负载时 R 10 占空比从 0 到 50 调整 但其间必然会产生电流断续 带反电动势负载时 R 6 E 40V 占空比从 20 到 50 调 控时 可以保证负载电流连续 如下图所示 供给斩波的直流电是由交流电经整流后得到的 图 12 整流电路 有前述可知要求供给斩波的直流电压为 200V 则 变压器二次侧电压有效值为 U2 200 0 9 222 22V 二次侧电流最大有效值为 I2 10 2 5A 变压器容量为 S U2 I2 1111VA 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 12 一次侧电流最大有效值为 I1 S 220 5 05A 对于 IGBT 它所承受的最大电压为 200V 最大电流为 10A 由于 IGBT 很容易过电损 坏 选择器件是留足两倍的裕量 则选择 IGBT 的额定电压为 400V 额定电流为 20A 另外 续流二极管承受最大电压和电流与 IGBT 相同 也采用相同方式来整定器件参 数 即其额定电压也与 IGBT 相同 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 13 心得体会 通过这次对降压直流斩波电路的课程设计 我对斩波电路有了更加清晰的认 识 同时也对 IGBT 的驱动电路和保护电路也有了更深刻的认识 另外 在做设 计的过程中我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方法 加深了对课本知 识的进一步理解 同时这次课程设计应用到 MATLAB 软件 设计时借助 MATLAB 软件进行系统 模型仿真 进一步熟悉了 MATLAB 语言及其应用 用该软件对该电路进行分析 大大简化了计算和绘图步骤 同时该次课程设计 还用到了 Altium Designer 软 件进行原理图的绘制 是我跟家熟练地掌握了 Altium Designer 绘图的技巧 书 写课程设计说明书时使用 WORD 软件 使我掌握了许多关于 WORD 编辑和排版技巧 提高了自身对一些基本软件的应用技能 总之 这次课程设计不仅增加了我的知识积累 让我有机会将课堂上所学 的电力电子理论知识运用到实际中 了解了这些知识在电源上丰富而强大的用途 为将来走进工作打下了基础 还让我懂得自主学习的重要性 还有做什么事情都 要有恒心 有信心 动脑子去想 就一定有所收获 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 14 参考文献 1 王兆安 黄俊 电力电子技术 北京 机械工业出版社 2008 2 王维平 现代电力电子技术及应用 南京 东南大学出版社 199