IGBT降压斩波电路设计(纯电阻负载)

1、课程设计任务书学生姓名:工作单位:专业班级:指导教师: 题目：IGBT降压斩波电路设计（纯电阻负载） 设计条件：、输入直流电压：Ud=150V、输出功率：250W、开关频率4KHZ、占空比5%50%、输出电压脉率：小于5%要求完成的主要任务：1 、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告一一画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的 工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路 典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明 仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；

2、4、通过答辩。时间安排：2012.12.24-12.29指导教师签名: 系主任（或责任教师）签名:1原理分析及电路设计1.1IGBT降压斩波电路组成1.2主电路工作原理及结构说明2各模块电路设计2.1主电路带纯电阻负载2.2控制电路2.3驱动电路2.4保护电路2.5各器件参数确定3系统仿真及结果分析3.1建立仿真电路模型.3.2设置仿真参数.3.3仿真结果分析3.4结论目录1010111416心得体会.1718参考文献.I GBT降压斩波电路设计1原理分析及电路设计1.1IGBT降压斩波电路组成直流-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 直接直流变流电路和间接直

3、流变流电路，IGBT降压斩波电路是直接直流变流电路。 直流降压斩波电路不需要输入输出间的隔离。直流电压变换电路主要可控器件为全控器件IGBT，其所带负载可为阻性感性以及容性。与一般电子电路结构类似，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主电路工作原理及结构说明典型降压斩波电路的原理图如图2所示。iGEmtontoffa)典型降压斩波电路主电路由直流电源 E,全空型器件IGBT-V,普通单向导通二极管 VD及电感组成

4、。其中IGBT作为开关器件使用，二极管起续流的作用，同时为了使负载电流 脉动小，电感的L的值一般非常大。如图3所示，IGBT在控制电路触发信号的作用下导通与关断。导通时，二极管截止, 电流io流过大电感L，电源给电感L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L-R-Em-VD。通过控制触发电路的触发时间,IGBT以这种方式不断重复导通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从输出电压波形图上计算输出电压平均值,可知输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比a由控制信号的占空比来决定。因此可以通过控制触发电路触发信号的参数来控

5、制a的大小，从而控制输出电压的大小。因为 0 a 1，所以输出电压始终小于输入电(2)压，该电路为降压斩波电路。降压斩波的典型波形如下图所示。i2 Ii屮 tTh I : IIIIE |OUJ.a)图3降压斩波电路工作波形图容性、阻反电动势负降压斩波电路可以带多种，带不同的负载则工作在不同的状态。可带感性、 性以及带反电动势负载。图3为典型降压斩波电路反电动势负载的工作波形。载有电流断续和电流连续两种工作状态。分别如图 3中a）和b）所示。由输出电压的波形图可知，在电流断续与连续的情况下输出电压的平均值都与负载无 关，其大小为:tontoffTon表示导通的时;对于输出电流，当Toff表示截止

6、的时间；a表示导通时间占空比。Uo E时电流连续，II o输出电流平均值大小为:EmR当UovE时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。于是便出现了电流断续的现象。一般不希望出现电流断续的现象，因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。ea 1e1电流断续，反之则电流连续。其中T/ ；m Em/E;titi T a T t12各模块电路设计2.1主电路带纯电阻负载带纯电阻负载降压斩波电路如图4所示。L1ki ¥ TTWM14VEC图4带电阻降压斩波电路io(1)工作原理:当触发脉冲使V导通时，电源E向负载供电，续流二极管 VD因承受反向电压而关断,因此形成回路E-V-L-

7、R-E。同时电容C被充电，电感L在蓄积能量。在V导通的时间Ton内回路电流io增大，由于电感值很大，所以在回路中形成的的电流io的大小几乎无变化。输出电压为U0,极性为上正下负。当触发脉冲使V关断时，电源E不再向负载供电时。由于电感的电流不能突变，此时二极管VD承受反压导通续流，使回路中的电流逐渐减小，消耗在负载电阻上。当电感的的能量释放到使流过电感的电流小于io时，电容C开始放电，与流过电感的电流叠加保持负载电流基本不变。整个关断过程即是电感通过回路L-R-VD-L释放能量和电容通过回路C-R-C放电的过程，在 V关断时间Toff内留过负载电阻的电流io和其两端的电压Uo基本不变。在上述两种

8、工作状态下降压斩波电路的工作波形如图5所示。U GEUvdAUo图5降压斩波电路工作波形（纯电阻负载）其中Uge为IGBT的栅极G和射极E两端的电压，UvD为二极管VD两端的电压，U。为 负载两端的输出电压，占空比a Ton/T。上述波形是在各器件工作在理想状态下的波形。IGBT没有导通和关断延迟，也没有导 通压降和漏电流；非线性元件电感和电容都工作在线性区，即在导通和关断过程中不出现 饱和现象；且电感电容的值足够大，使输出电压基本无脉动。2.2控制电路由典型降压斩波电路可知，输出电压 U。的大小由占空比a控制，所以通过调节占空比 a就可以调节输出电压的大小。斩波电路中有三种调节占空比方式:1

9、）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲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。其中第一种是最常用的方法，其调节占空比的实质是给全控器件IGBT的栅极G和射极E之间所加电压在一个开关周期内大于开启电压UGE（th）的时间ton的大小，即调节脉冲宽度。PW控制信号的产生方法有很多，有与IGBT相适配的专用触发芯片SG3525SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWMI制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、

10、软启动控制电路、PW锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。SG3525管脚图如图6所示。反栩输入1二2巧二3144U二512二611二710软门功聲二円gZ3X. 二I Z 二IB趾 二）X、BTTE 二地 啼E二1闭论控W 二I龄愷图6 SG3525引脚图各引脚功能功能说明见附录2。由SG3525构成的PWM控制信号产生电路如图7所示。+1W5. IVU1R4lOK讦O.OliiF1K2456s16I?nnTT To -91卜U2FWM5 JKCllOOnr图7 PWM控制信号产生电路SG3525所产生的仅仅只是PW控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT,中间还需要有

11、驱动电路将信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路 中PwMt号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。2.3驱动电路IGBT是电压驱动型电力电子器件，栅射极之间存在数千皮法的极间电容，因此控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。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器隔离的部分。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，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其

12、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土 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。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。可以选择EXB841或EX840驱动芯片。驱动电路如图EXBS411LSL42鬣V IE:-zji'DE-p"图8驱动

13、电路2.4保护电路保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。驱动电路中VZ5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过 VD1检测是否过电流，接 VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问 题。R1和C1及VZ4接在+20 V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，电阻Rge是防止IGBT误导通。针对EXB840存在保护盲区的问题，可如图8所示将EXB841的 6脚的超快速恢复二极EXB841 存管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对 每个脉冲限制最小

14、脉宽进行封锁，从而保证软关断的顺利进行。该电路解决了 在的过电流保护无自锁功能这一问题。经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和-5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在 EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏 压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压（当 然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制）。图8下半部分所示为故障信号的封锁电路。当IG

15、BT正常工作时EXB84啲5脚是高电平，此时光耦6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C6不充电，NE555P 的3脚输出为高电平，输人信号被接到 15脚，EXB841正常工作驱动IGBT。当EXB841检测到过电流时EXB841的5脚变为低电平，于是光耦导通使 V1截止，+5V电压经凡和R4对几充电，R5和R,的总阻值为90KQ ,C6为100 pF ,经过5 us后NE555P的3脚输出为低电平，通过与门将输人信号封锁。因为EXB841从检测到IGBT过电流到对其软关断结束要10 ms,此电路延迟5us，工作是因为EXB841检测到过电流到EXB841的5脚信号为低电平需要

16、5 us，这样经过NE555 P定时器延迟5 ms使IGBT软关断后再停止输人信号，避免立即停止输人信号造成硬关断。2.5各器件参数确定当V导通时，电感L充电，充电电流|0基本恒定。V处于导通的时间为Ton，此阶段电 源提供的能量为EloTon。当V处于断态时L和C共同向负载供电时间为Toff，同时因为C值很大，基本保持输出电压U0基本不变。在整个周期T过程中，电感电容充放电过程完全相 反没有能量变化，负载消耗的的l；RT。当电路工作于稳态时，一个周期 T中，忽略电路 中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即EI 0TonRl02TU0 I0RTonE aE T(4)由于储能电感的时

17、间常数远大于开关周期T,因此在充放电过程中电感的电流iL变化性变化，实际取电感的值可以取大一点，取 L>1mH9所示。可以看着线性增长和衰减的，在ti时刻达到最大值imax 0电感电流iL与t的关系如图II由图9可知:iiii图9电感电流波形图t1E U0d. E U0.0弋-水匚-ton 叫t Uott1 Tdt T 切(5)kTT onI MAKT Qpf1il0当电路的参数选取是当时，电感电流iL连续变化，不出现为0的情况。当电感较L小时，负载电阻R较大时，则负载电路的时间常数较小或当开关周期较大时，将出现电感电流已下降到 0,但下一个开关周期还没到来，即电感电流断续。当一个开关周

18、期结束时电感电流刚好衰减到 0时，即电感电流连续与断续的临界点，临界情ii 2I0由图10结合式(5) (6)可知，临界状态下(7)其中'0 UR0结合式(5) (6) (7)可知RToff2U0(1 a)T21。(8)电容在充电户的的电压为UcUcU0(1 a)T28LC(9)由上式可得(10)U0(1 a)T2E=150V,P)=250W,0.05vav0.5,开关频率 f=4KH乙8UcLP。U0I0loR250W取电阻R=1C?，则'0 5A；U050V。占空比a 竺 0.33，T12.5 10 4s。E150f所以L U0(1a)T 50 (1 0.33)2.5 10

19、 40.84mH2I02 5有设计要求可知。为了使电感电流变化接近线设计要求输出电压的脉率小于5%取电压脉率为4%则晋T2 川仁2.52 108 0.18mF实际取电容C的值应取得大一些，以使输出电压基本保持不变。控制电路的各元件的参数如原理图所示（图 7）。如原理图所示连接电路，可产生 PWM控制信号，脉宽调制范围为 050%满足设计要求占空比15%-50%3系统仿真及结果分析3.1建立仿真电路模型在电力电子设计过程中利用 MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具

20、。先从simulink的元件库中 找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。中加载构成仿真电路所需要的元在 matlab 中新建 model 文件,从 simulink library器件，连接好的系统仿真电路图如图11所示。 J>x<rw图11系统仿真电路图(3)电感的值设置为0.84mH,如图14所示。3.2设置仿真参数按如下步骤设置仿真参数。(1)直流电压源大小设置为150V,如图12所示。已 Block ParaKeters: DCTollage SourceIdeal DC voltage source.ParametersAjuplilLide

21、(V):Me asuLem&iit s HoneOK CanceL | He Ip 虹ply图12直流电压源参数设置(2)PWM控制信号设置，幅值为1,周期为0.000025s，占空比为50%占空比根据需要调节,如图13所示。Paraneter5Pulse typ&: rijLe Ct): Use siiiulation timeAmplitude:Period (riuiLber of samples):2.5e-4Pulse vidth. (nuMber of samples):50Phase delay (riumber erf samples):3a>ple ti

22、me:0 Interpret vector paranet ers as 1-D图13 PWM控制信号参数设置" *2£rm Block ParaKetcrs: Series KLC BranchImpleiaents a series branch af ELC elements.Use the Eranch type* paraineter to add or remove elenenrts fiom the branch.P aranetersBranch typ亡:Inductance (H):8*4fl-4 Set Ihe initial inductor cu

23、trentKe asur enent s N oneQK Can"L 氐灯piy图14电感值设置(4) 电阻值设置为10?,如图15所示。Q Block Paraseters; Series XLC BranchZImplejneiits a series branch of ELC elenents.Use the *Eratnch typu' paraneler to add cr remove elements fioTii the h ranch*ParametersQK I CancEl 亞 I® toly图15电阻值设置(5) 电容值设置为0.18mF,

24、如图16所示。Lj Block Paraaeters:Series XLCBraiLchl冈Series KLC Branch (magk) (link)Iinpleinen.ts a series branch of ELC Use the * Branch type parameter to fiom the traticKP arasiet&i;?elementE.add cr uenovieelement sBranch type:C*Capacitance (F):1. 8&-211iSet'"lhe'iniJ H H 1.t ial匚垂1

25、H B-Hacitoi voita* B H H H He asur eventsKone*111QK1 Cancel1Help 1 肚jpiy1图16电容值设置(6) 示波器参数设置，如图17 (a) (b)所示。Generalrtslory OraphlcEAxes Mo圖ng scopebottom axis cniy vTick labels:图17示波器参数设置SamplingDecirriertion v 1OK I I CanedHelpApply(a)(b)3.3仿真结果分析在PWMI制信号设置为不同的占空比时，输出电压的大小也不同，通过示波器我们可 以观察PWM波形Ug(a)

26、,电感电压波形UL(b)，VD两端电压波形Uvd(c)，电感电流波形iL(d)，输出电压U0(e)电流I0(f)波形。改变占空比a，则输出的波形也会改变，图18为占空比为50%寸的仿真结果。T50 500.5Iris offset: 0.203C ai 0.20.30,40.50.60.7 OS 0.913 xIO(a)Ug仿真波形(b)Ul仿真波形(c) Uvd仿真波形L仿真波形(d)IDOGOSO4020O.eiQ010.20.3940 5 O.e 07 OS 0.91j(10ime offset:(e)Uo仿真波形15ID50,10,20,5o.e0,9530.40.6 0.?'

27、ime offset: 0J3710仿真波形图18 占空比为50%寸仿真波形图通过实际仿真可知,选取几个特定的占空比仿真，可得到输出电压的值及波形，可得如图18所示的类似波形，占空比为 a,根据理论计算公式也可计算出输出电压 Uo的理论值。当3=5%,U 0的仿真值为8.43V，理论计算值Uo 150 0.057.5V。24.49V，理论计算值Uo1500.1522.5V38.6V，理论计算值Uo1500.2537.5V。59.12V，理论计算值Uo1500.460V。74.13V，理论计算值Uo1500.575V。当a=15%,U0的仿真值为当a=25%U0的仿真值为当a=4O%,U0的仿真

28、值为当a=5O%,Uo的仿真值为通过仿真可得，在当前设置的电阻电感电容值下，电感电流连续与断续的临界占空prn« offset: 0.577«10图19 临界状态下iL波形对比仿真结果可知，测量值与理论值存在一定的误差，但误差允许范围内，所以仿真结果满足设计要求，即本系统满足设计要求。3.4结论综上所述，本设计可结合典型降压斩波电路，设计纯电阻负载斩波电路。实际仿真结果表明，主电路，控制电路，驱动电路，保护电路设计均满足设计要求。即输出负载功率 为250Vy占空比在5%-50沱间，输出电压脉率小于 5%心得体会电力电子技术课程设计是对电力电子技术的综合运用，在电力电子变换四

29、大类型中, 本次设计是直流-直流变换中直接直流变换降压斩波。在本次降压斩波电路设计过程中，我认识到任何一个完整的电力电子系统必须包含 主电路，控制电路，驱动电路，保护电路，检测电路。通过对组电路的设计及参数确定我 更加熟练地掌握了降压斩波电路的工作原理，通过对控电路的设计让我认识到，不同的类 型的电力电子器件由于内部结构不同，其工作原理也不同。保护电路是电力电子系统必不 可少的部分。通过这次对降压直流斩波电路的课程设计，巩固了理论知识。在本次设计过程中运用到了两款专业软件Altium Designer 和MATLAB通过对个部 分电路图的绘制，进一步掌握了运用Altium Designer绘制

30、原理图的技巧。通过运用MATLAB中Simulink组件可以建立系统仿真模型对电路系统进行实时仿真，用该软件对该电路进 行分析，大大简化了计算和绘图步骤。但在实际运用过程对其一些功能还是不很了解，因 此在仿真过程中出现了一点小错误，通过进一步查阅资料解决了这一问题。同时本次课程 设计是以组为单位，在设计准备阶段共同收集资料，讨论设计方案，提高了本次设计的效 率，也提高了自身的团队合作能力。每一次课程设计报告书的撰写就是又一次提高个人专业素养的过程。总之本次课程 设计巩固了理论知识，拓展了课外知识和提高个人专业素养。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.

31、现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，19993 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19994 马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社，2004马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,20046 周克宁.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2004附录总电路图5 IVlOK ?-hl5VC2O OluF 11R1U1234d2sle15nBnn109D2Dl4p5 IKlOOuF<1附录二：SG3525的引脚图及结构方框图1）SG3525的引脚如图所示。（1）反相输入端（引脚1）：误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为 80dB,其

32、大小由反馈或输出负载而定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器的共模输入电压范围为1.55.2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。 同相输入端（引脚2）:此端通常接到基准电压引脚16的分压电阻上，取得2.5V的基 准比较电压与引脚1的取样电压相比较。 同步端（引脚3）:为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的振荡 频率，可以分别与它们的引脚4相副脚3相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作 频率同步；也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。图1 SG3525的引脚及结构方框图 同步

33、输出端（引脚4）:同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工 作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比振荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时, 引脚3相副脚4悬空。引脚4的输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波的电压范围为0.63.5V。 振荡电容端（引脚5）:振荡电容一端接至引脚5,另一端直接接至地端。其取值范围为0.0010.1 pF。正常工作时，在研两端可以得到一个从 0.63.5V变化的锯齿波。（6）振荡电阻端（引脚6）:振荡电阻一端接至引脚6,另一端直接接至地端。RT的阻值决定了内部恒流值对研充电。其取值范围为 2150kn RT和研越大，充电时间越长；反之，则充电时间短。 放电端（引脚7）:Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开,有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽，其取值范围为0-500no放电电阻RD和乙越大，放电时间越长；反之，则放电时间短。（8）软起动（