IGBT升壓斬波電路的設(shè)計(jì)2解讀

1、1設(shè)計(jì)要求與方案1.1設(shè)計(jì)要求利用IGBT設(shè)計(jì)一個(gè)升壓斬波電路。輸入直流電壓Ud =50V輸出功率P=300W, 開(kāi)關(guān)頻率為5KHz占空比10雅V50%輸出電壓脈率小于10%1.2設(shè)計(jì)方案根據(jù)升壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路用來(lái)產(chǎn)生IGBT升壓斬波電路的控制信號(hào)，控制 電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端 與公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。通過(guò)控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)控制 IGBT升壓斬波電路工作?？刂齐娐分斜Ｗo(hù)電路是用來(lái)保護(hù)電路， 防止電路產(chǎn)生過(guò) 電流、過(guò)電壓現(xiàn)象而損壞電路設(shè)備。2

2、22升壓斬波電路設(shè)計(jì)方案2.1升壓斬波主電路電路工作原理原理圖本設(shè)計(jì)為直流升壓斬波(boost choppe)電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應(yīng) 為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導(dǎo)通內(nèi)阻小，開(kāi)關(guān)頻率高,開(kāi)關(guān)時(shí)間小的大功率IGBT管。在IGBT關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè) 置了續(xù)流二極管VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電 動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。原理圖如下圖1所示:圖1主電路仿真圖左邊E為輸入直流50V電壓，右邊為Ub斬波電壓輸出。Ig為SG3525輸出的PWM斬波信號(hào)。V為IGBT，VD為電力二極管，L為電感，C為電容，R為負(fù)載。原理分析：首先假設(shè)電感L值

3、很大，電容C值也很大。當(dāng)Ig為高電平時(shí)，V 導(dǎo)通，50V電源向L充電，充電基本恒定為 ，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供 電，因C值很大，基本保持輸出電壓Uo為恒值，記為Uo。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間 為ton，此階段電感L上積儲(chǔ)的能量為Ehton。當(dāng)V處于段態(tài)時(shí)E和L共同向電容 C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于段態(tài)的時(shí)間為to，則在此期間電感L 釋放的能量為(U。-E)ltoff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T中電感L積儲(chǔ)的能量于釋放的能量相等，即化簡(jiǎn)得El,on 二（U。活兒切 （2-1）U0=tn tff e = T etofftcff(2-2)上式中的T/Gf _1，輸出電壓高于電源電壓

4、其大小即可改變輸出電壓Uo的大小。Tt 升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變 和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系：. -1因此，式（2-2）可表示為：1Uo =阮式（2-1 ）中T/toff為升壓比,調(diào)節(jié)offUo。將升壓比的倒數(shù)記作B，即(2-3)E1 -：升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:(2-4)日疋L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分 析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C 值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容 C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可 以忽

5、略。2.2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號(hào)有很多方法，但歸根到底不 外乎直接產(chǎn)生PWM的專(zhuān)用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采 用直接產(chǎn)生PWM的專(zhuān)用芯片SG3525該芯片的外圍電路只需簡(jiǎn)單的連接幾個(gè)電 阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的 PWM波，通過(guò)改變IN+輸入電阻就能改變輸出 PWM波的占空比，故在IN+端接個(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn) PWM控制。為了提高安 全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價(jià)比相當(dāng) 不錯(cuò)的工業(yè)級(jí)芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過(guò)光電耦合之 后才送至驅(qū)動(dòng)電路。其電路圖如下圖 2所示：U

6、115710k1 19VREFvccesc ourVCSYNCRTDISCJTACTOUTBCMPENIN*INssGNDSD1311FC?Diode 1N41Lm48Diode 1N4148圖2 PWM觸發(fā)電路工作原理：通過(guò)R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。此時(shí)形成脈沖信號(hào)，再將脈沖信號(hào)通過(guò) SG3525AN的OUTA、OUTB端 輸出整流，送到光電耦合器去將信號(hào)放大。2.3觸發(fā)脈沖的放大脈沖的放大電路如圖3所示。脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器 U2隔離輸出，最后 經(jīng)過(guò)Q2放大輸出到IGBT的門(mén)極gU2乂 E44HE V-G sol Jorl C45HS圖3脈沖放

7、大電路工作原理:其產(chǎn)生的PWM信號(hào)由OUTA、OUTB輸出，通過(guò)PWM觸發(fā)電路調(diào)節(jié) R7 可以改變占空比。輸出的 PWM信號(hào)通過(guò)二極管D6、D7送至光電耦合器U2， 光耦后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。此電路具有信號(hào)穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2.4.1驅(qū)動(dòng)電路原理圖IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)一般難以以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)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(lái)講IGBT的驅(qū)

8、動(dòng)要求有一下幾點(diǎn)：1）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(kāi)通及關(guān)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。2）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。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20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍可能破壞柵極。4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(guò)程不應(yīng) 隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。這里，我是使用了

9、 EXB841集成電路作為IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。EXB841芯片 具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型 的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)EXB841輸人端腳14和腳15有10m A的電流流過(guò)時(shí)，光禍ISO1導(dǎo)通， A點(diǎn)電位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D點(diǎn)電位上升至20 V,V4導(dǎo)通， V5截止，EXB841通過(guò)V4及柵極電阻Rg向一個(gè)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(wú)電流流過(guò)，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(guò) V5迅速放電，使EXB841的腳3電位迅速下降至

10、0V（相對(duì)于EXB841腳1低5 V），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20 V，二極管 VD6截止。若此時(shí)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(kāi)始由8V上升;當(dāng)上升 至13V時(shí)，VZ被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過(guò)R,和V3放電，E點(diǎn)電位逐步下降， 二極管VU6導(dǎo)通時(shí)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(duì)于EXB841它本身存在一些不足之處。例如過(guò)流保護(hù)閾值過(guò)

11、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(guò)流保護(hù)五自鎖功能等。為此，對(duì)驅(qū) 動(dòng)電路進(jìn)行了一些優(yōu)化，還增加了故障信號(hào)封鎖電路。這些主要都是為了加強(qiáng)對(duì) 電路的保護(hù)，屬于保護(hù)電路的范疇。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。圖4驅(qū)動(dòng)電路原理圖242驅(qū)動(dòng)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(hào)封鎖電路。下面便來(lái)做 具體分析。驅(qū)動(dòng)電路中VZ5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過(guò)電壓，通過(guò) VD1檢 測(cè)是否過(guò)電流，接VZ3的目的是為了改變EXB莫塊過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過(guò)高 的保護(hù)閥值從而解決過(guò)流保護(hù)閥值太高的問(wèn)題。R1和C1及VZ4接在+20 V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2

12、避免柵極和射極出現(xiàn)過(guò)電壓，電阻Rge是防止IGBT 誤導(dǎo)通。針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)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(gè)穩(wěn) 壓二極管，也可采取對(duì)每個(gè)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(guò)電流保護(hù)無(wú)自鎖功能這一問(wèn)題。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一 個(gè)可變電阻，4腳和地之間接一個(gè)電容，都是用來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，保證軟關(guān)斷的 可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)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（

13、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3故障信號(hào)的封鎖電路。當(dāng)IGBT正常工作時(shí)EXB841 的5腳是高電平，此時(shí)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(hào)被接到15腳，EXB841 正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT。當(dāng)EXB841檢測(cè)到過(guò)電流時(shí)EXB841的 5腳變?yōu)榈碗娖剑谑枪怦顚?dǎo)通使 V1 截止，+5V電壓經(jīng)凡和R4對(duì)幾充電，R5和R,的總阻值為9OK0C6為100pF, 經(jīng)過(guò)5 us后NE555P勺3腳輸出為低電平，通過(guò)與門(mén)將輸人信號(hào)封鎖。因?yàn)镋XB84 從檢測(cè)到IGBT過(guò)電流到對(duì)其軟

14、關(guān)斷結(jié)束要10 ms此電路延遲5us，工作是因?yàn)?EXB841檢測(cè)到過(guò)電流到EXB841的5腳信號(hào)為低電平需要5 us,這樣經(jīng)過(guò)NE555 P定時(shí)器延遲5 ms使IGBT軟關(guān)斷后再停止輸人信號(hào)，避免立即停止輸人信號(hào)造 成硬關(guān)斷。3參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)及波形分析3.1 參數(shù)選擇和計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇選大小為 50V的直流電壓源，選取升壓斬波電路的U2占空比為10%-50%因此，輸出電壓55-100V，輸出功率巳=比。又因?yàn)橐筝擱出功率為300W，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(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。在控制開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間ton，電流從電源正極流出，經(jīng)過(guò)電感從開(kāi)關(guān)流回電源

15、負(fù)極。電容C向R供電，輸出電壓U。上正下負(fù)。電源電壓U全部加到電感兩端Ul -Ui，在該電壓作用下，電感電流 線性增長(zhǎng)。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為： iL+/on%t=bton=PT0 LLL在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間to ， 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， 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 10 4-56 X10550%10033-43.75 10-41.0 103.2仿真電路設(shè)計(jì)用Multisim 軟件畫(huà)出電路圖如下:在對(duì)應(yīng)的元器件上修改參數(shù)，完成參數(shù)的設(shè)置。對(duì)于在不同的占空比時(shí)，其 他參數(shù)也不

16、一樣，修改的方式都有一樣。完成參數(shù)的設(shè)置，就可以開(kāi)始仿真。根 據(jù)電路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的波形進(jìn)行結(jié)果分析。3.3仿真結(jié)果占空比通過(guò)設(shè)置脈沖電壓源參數(shù)來(lái)控制ipolar Voltage Source0.02msec0.2msec圖6占空比調(diào)節(jié)圖通過(guò)脈沖電壓源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)對(duì)IGBT的信號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)電路在不同占空比下的開(kāi) 關(guān)關(guān)斷，以便得到升壓的電壓。以下是各占空比下的仿真結(jié)果：(1) 當(dāng)占空比為a =10%寸，輸入直流電壓U=50V,得到輸出直流電壓Uo =55V 此時(shí)負(fù)載電阻為 R=10Q，將電感取值為4mH，電容取值為20uF,從示波器 上觀察輸出電壓Uo大小及仿真結(jié)果如下：I 保存rh p 1i1ii

17、A： . -J. .1i1inii17-ALw 1i11iRi11仃- 1|T rT- f Ff1 1 F |11 p 1 1f -|r 呻h1iiiiniiii1iPiiiiii!ir1inI1pII*iiiiiI1i11h11i1i1lp；r -i T -r i9 i- 1J - r -|ii1i:iT1T2 “T2-T1時(shí)間L7-320 ms17.320 ms0.000 s遇道丄 55,154 V 55A54 V o.oao vExt.lfefegg通遣a 比例 50 V/Div時(shí)I司軸Scale: 10C us/Divx位置 0匝llj亟邁叵因JliS B比例 S V/Div融發(fā) 邊沿

18、 電平lAcjfonfDcin0V標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)圖9圖10由以上仿真結(jié)果圖得到的波形可以看出在輸入電壓為50V時(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇10%寸，得到的輸出電壓的平均值近似 55V。得到的輸出功 率的平均值近似為300W這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出，輸 出的電壓電流波形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的， 符合理論要求。(2) 當(dāng)占空比為a =30%寸，輸入直流電壓U=50V,得到輸出直流電壓Uo=78V。此時(shí)負(fù)載電阻為 R=20Q，將電感取值為4mH，電容取值為60uF,從示波器 上觀察輸出電壓Uo大小及仿真結(jié)果如下：I-T1L* m可El Al$曲丈r2S

19、 B 2:00 iFfiiiS.1OHOIOO VL2.200 ms 口 .D口口 VT2-T1匸1.口口口壬 . Cl V時(shí)冋鈿連心AbSchlepsT QQLJ-s/OlV匕匕例 1| 1LI V/Uiv匕匕網(wǎng)1sV/Giv迄H EH口時(shí) 0 UoV KT WOrr111 力nW 1 1 片/a 11 a/b 14匸 n o Uo= iiF ac If oII 3二 II - 1r圖11圖12T1.時(shí)間1S.2OO ms 二 * *is.zoo msT2-T1|0,000 s77,516 V GE V 0.000 V連這50.000 V SO JOOO VO. OOO V通適A通謚曰曲弓匚

20、曰 T1OO us/DivtLU SO V/Div匕匕例50 V/Div位養(yǎng)OY區(qū)雪OYOT | 力口程|伍皿）ME |G圖13由以上仿真結(jié)果圖得到的波形可以看出在輸入電壓為50V時(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇30%寸，得到的輸出電壓的平均值近似 78V。得到的輸出功 率的平均值近似為300W這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出，輸 出的電壓電流波形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。(3) 當(dāng)占空比為a =50%寸，輸入直流電壓U=50V,得到輸出直流電壓U=100V。此時(shí)負(fù)載電阻為 R=3，將電感取值為4mH，電容取值為80uF，從示波器 上觀察輸出電壓Uo大小及仿真結(jié)果如下：圖

21、14idioiLl xml圖15時(shí)問(wèn)500 B 口QC* us 500 OOO us 0.000 f兮坪亠日坪? V日呼+S峙71 V .QDO V煙血_曰50*000 V50.000 Vo+ooo V時(shí)間斑三匚Q日：LCD us/Div連謹(jǐn)A匕匕歸 SO V/Div通謹(jǐn)B匕匕洌SO V/Div位宜oY位首Ov位宜O| WT | 力口我b/zx | A/B 1 2 口 H xacJ o lioc: Gn圖16由以上仿真結(jié)果圖得到的波形可以看出在輸入電壓為 50V時(shí)，在純電阻負(fù)載 情況下，占空比選擇90%寸，得到的輸出電壓的平均值近似 100V。得到的輸出 功率的平均值近似為300W這滿足電路所需的要求。3.4仿真結(jié)果分析由仿真得到的波形可以看出在輸入直流電壓為 50V時(shí)，在純電阻負(fù)載情況 下且不同占空比時(shí)，得到的輸出電壓的平均值都不一樣。 但是得到的輸出功率的 平均值都近似為300W，這點(diǎn)滿足電路設(shè)計(jì)所需的要求。且從波形圖中可以看出， 無(wú)論占空比有怎么變化，輸出電壓的波形的形狀始終是一致的， 這滿足純電阻的 要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。由仿真圖可以看得到，當(dāng)占空比:=10%時(shí)，輸出電壓為54.5V ;當(dāng)占空比 :=30%時(shí)，輸出電壓為77.4V;當(dāng)占空比=50%時(shí)，輸出電壓