IGBT降压斩波电路设计

1、目录摘要11前言12方案确定23主电路设计23.1 主电路方案23.2 工作原理33.3 参数分析44控制电路设计54.1 控制电路方案选择54.2 工作原理64.3 控制芯片介绍75驱动电路设计95.1 驱动电路方案选择 95.2 工作原理106保护电路设计116.1 过压保护电路116.1.1 主电路器件保护 116.1.2 负载过压保护126.2 过流保护电路 137系统仿真及结论137.1 仿真软件的介绍147.2 仿真电路及其仿真结果14心得体会15参考文献16致谢17igbt降压斩波电路设计摘要：直流-直流变流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，包括直接直流电

2、变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变 流电路也称斩波电路，它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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之 间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流 环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直 流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本 斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路。cuk斩波电 路，sepic斩波电路和zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成 符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构 的基

3、本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。关键字：igbt直流斩波降压斩波1前言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电 子设备的种类也越来越多。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压， 大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。开关电源分为ac/dc和dc/dc,其中dc/dc变换已实现模块化，其设 计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。dc/dc变换是将固定的直流电压 变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的 供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。igbt降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用igbt作为 全控型器件的降压斩波电路

4、，用于直流到直流的降压变换。igbt是 mosfe与t双极晶体管的复合器件。它既有mosfe易t驱动的特点，又 具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于mosfe与t功 率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用igbt作为全控型器件的降压斩波电路就有了 igbt易驱动，电压、电流容量 大的优点。2方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电 路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成 的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电 路中电力电子器件的导通或者关

5、断来完成整个系统的功能，当控制电路所 产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路 控制电路、驱动及保护电 路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。图1降压斩波电路结构框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号， 控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开 关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控 制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路 的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。3主电路设计3.1 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可

6、运用电力电子开关来 控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据 所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直 直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流 变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选 择，选用比较熟悉的全控型的igbt管，而不选半控型的晶闸管，因为 igbt控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快 驱动电路简单 等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2 工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2所图2主电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件igbt控制导通。用控制电

7、路和驱动 电路来控制igbt的通断，当 t=0时，驱动igbt导通，电源e向负载供电，负载电压uo=e,负载电流i。按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3所示:图3降压电路波形图当tb时刻，控制igbt关断，负载电流经二极管vd续流，负载电压u。近 似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联l 值较大的电感。至一个周期t结束，再驱动igbt导通，重复上一周期的过程。当电力工 作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：uo ton uiton uiuion t off丁ton为igbt处于通态的时间；t。*为处于断态的时间；t为开关周期；a 为导通占

8、空比。通过调节占空比a使输出到负载的电压平均值u。最大为e,若减小占空 比a,则u。随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值u。最大为q, 若减小占空比a,则u。随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波 电路。3.3 参数分析主电路中需要确定参数的元器件有igbt、二极管、直流电源、电感、电 阻值的确定，其参数确定如下：(1)电源要求输入电压为100v。(2)电阻因为当输出电压为200v时，假输出电流为20ao所以由欧姆定 律io可得负载电阻值为1qigbt由图3易知当igbt截止时，回路通过二极管续流，此时igbt 两端 承受最大正压为100v；而当a=1时，igbt有最大

9、电流，其值为5a。 故需选择集电极最大连续电流lc=10 a ,反向击穿电压bvce。200v的igbt,而一般的 igbt都满足要求。(4)二极管其承受最大反压100v,其承受最大电流趋近于20a,考虑2 倍裕 量，故需选择un 200v, in 20 a的二极管。5)电感 l=100mh;(6)开关频率f=5khz(7)电容设计要求输出电压纹波小于1%4控制电路设计4.1 控制电路方案选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率 器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1 .保持开关周期t不变，调节开关导通时间ton,称为脉冲

10、宽度调制或脉 冲调宽型；2 .保持导通时间不变，改变开关周期t,成为频率调制或调频型；3 .导通时间和周期t都可调，是占空比改变，称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为pwm控制技术应用最为广 泛，所以 采用pwm控制方式来控制igbt的通断。pwm控制就是对脉冲 宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲 的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调 制，只是因为输入电压和所 需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是 等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，我选用一般的pwm发生 芯片来

11、进行连续控制。对于pwm发生芯片，我选用了 sg3525芯片，其引脚图如图4所示，它 是一款专用的pwm控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案。图4 sg3525引脚图其11和14脚输出两个等幅 等频、相位互补 占空比可调的pwm信 号。脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的 电阻电容电路共同构成sg3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚 3)。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。 该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态 静态特性要求，在误差 放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10 脚的电压为高电平时，

12、11和14脚的电压变为10输出。4.2 工作原理由于sg3525的振荡频率可表示为：1 f 4.1ct(0.7rt3rd)式中:ct, r分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；rd是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40khz,所以由上式可取ct =0.01 pif, rt= 1k , rd =600 o 可得 f=40khz,满足要求。图5控制电路sg3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的 输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成 电压 信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图5所示 10端外接 过压

13、过流保护电路。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由 于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有 过流时，10脚一直处 于低电平，从而正常的输出pwm波。sg3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通 过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通 过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占 空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器 使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出 电压为50-80v范围。4.3 控制芯片介绍本控制电路是以sg3525

14、为核心构成，sg3525为美国silicon general公司 生产的专用，它集成了 pwm控 制电路，其内部电路结构及各引脚功能如图 6所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源，锯齿波振荡 器，误差放大器，比较器,分频器和保护电路等.调节ur的大小，在11,14两端可 输出两个幅度相等，频率相等，相位相差，占空比可调的矩形波（即pwm信 号）.然后，将脉冲信号送往芯片hl402,对微信号进行升压处理，再把经 过处理的电平信号送往igbt,对其触发，以满足主电路的要求。sd 10n图6 sg3525a芯片的内部结构（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1v, 50ma,

15、有短路电流保护的电压调整器。 它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低 于6v时，可把15、16脚短接，这时5v电压调整器不起作用。（2）振荡器3525a的振荡器，除ct、rt端外，增加了放电7、同步端3。rt阻值 决定了内部恒流值对ct充电，ct的放电则由5、7端之间外接的电阻值 rd决定。把充电和放电回路分开，有利于通过rd来调节死区的时间，因此 是重大改进。这时3525a的振荡频率可表为：1ct（0.7rt3rd）42在3525a中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525a的联用提供了 方便。同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。（3）误差放大器误差放大器是差

16、动输入的放大器。它的增益标称值为80db,其大小由反 馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元 件组合。该放大器共模输入电压范围在1.8-3.4v,需要将基准电压分压送至 误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入 端，3525a改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较 器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作 精度的提高。（4）闭锁控制端10利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器 的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。（

17、5）有软起动电路比较器的反相端即软起动控制端8,端8可外接软起动电容。该电容由 内部vref的5011a恒流源充电。达到2.5v所经的时间为 。占空比由小到大（50%）变化。（6）增加pwm锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输 出送到pwm锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复 位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个 周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于pwm锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上 的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期 才能重新置位，有利于可靠性提高。（7）增设

18、欠压锁定电路电路主要作用是当ic块输入电压小于8v时，集成块内部电路锁定，停 止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2ma）。（8）输出级由两个中功率npn管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可 输出100ma。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电 平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的 需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100ma。在状态转换中，由于 存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉 冲，其持续时间约100ns。使用时vc接一个0.14电容可以

19、滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50ma以上时，管饱和压降较 高（约1v） o5驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择igbt是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动 igbto因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干 扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还 设计中还学要有带电气隔离的部分。该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接 影响着整个系统变流的成败。具体来讲igbt的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为igbt栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。 否则igbt会在开通及关延时，同时

20、要保证当igbt损坏时驱动电路中的其他 元件不会被损坏。2）能向igbt提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 v左右的正向栅 压比较恰当，取-5v反向栅压能让igbt可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。igbt栅极极限电压一般为 20 v,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当igbt处于负载短路或过流状态时，能在igbt允许时间内通过逐渐 降低栅压自动抑制故障电流，实现igbt的软关断。驱动电路的软关断过程 不应随输入信号的消失而受到影响。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方 式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案1：采用光电耦合式驱动电

21、路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽 度 不受限制，较易检测igbt的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另 外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲 信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延 迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对 变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控 器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1o对于方案1可以用exb841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行 主电路与控制电路隔离，再把驱动

22、信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信 号足以驱 动igbt管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来 设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。5.2 工作原理如图7所示，igbt降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极 管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是， 先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是tlp521- 10为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。图7驱动电路原理：控制电路所输出的信号通过tlp521-

23、1光耦合器实现电气隔离，再经 过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大6保护电路设计6.1 过压保护电路过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当 达到一定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载 保护。6.1.1 主电路器件保护当达到一定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通 路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上, 保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路 中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以 有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗

24、掉部分过压能量，同 时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图8所示。图8 rc阻容过电压保护电路图6.1.2 负载过压保护如图9所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上， 输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出um抬 高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，pwm琐存器将立即动 作，禁止sg3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持 续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程， 从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5.1v电源经变位器后为可调基准电压，比较 器同相端电压应在5v以内，取负载输出电压

25、最大值80v来算r2o/ri8=8o/3 。左右 9 所以 r2o=1 00k,ri8=4k,ri7=1 ok, ri9=2ko图9负载过压保6.2 过流保护电路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器 件击穿或短路、 触发电路或控制电路发生故障 出现过载 直流侧短路、 可 逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、 缺相 等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变 换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加fu熔断器来限 制电流的过大，防止igbt的破坏和对电路中其他元件的保护。如图1在主电 路串接

26、一个快速熔断丝。还有一种方法如图10所示，也是利用控制电路芯片的第10端。在主电 路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用 比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大 器把 电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：uo=(1+rl2/rw)*ui,取放大 10倍,即1+rl2/rio=1 0 ,所以取rl2=9k, rio=1 ko放大后把它接到比较器中 比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以ri3=2k, rl4=2k, rl5=1 ok, rl6=2ko12v图10过流保护电路7系统仿真及

27、结论7.1 仿真软件的介绍此次仿真使用的是matlab软件。simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过 简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结 构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优 点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同 时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink osimulink是matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模

28、、仿真和分析的一个软件包，被广泛 应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建 模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (gui),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更 快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处 理

29、系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿、执行和测试。构架在simulink基础之上的其他产品扩展了 simulink多领域建模功能, 也提供了用于设计、执行 验证和确认任务的相应工具。simulink与 matlab®紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可 视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参 数和测试数据的定义。7.2 仿真电路及其仿真结果1.仿真电路图如图11所示图11降压斩波的matlab电路的模型根据题目要求输出电压平均值为100v,电流为20ao这里是首先指定电源为100v直流。则最大占空比为20%o先用纯电阻负载，则负载理论 阻值应该为1。至于负载回路中的大电感，我在这里取的100mh。设定好元器件的参数之后，还需要设置仿真算法和仿真时间。2. matlab的,仿真结果如图12图12仿真波形结论：上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件