IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)(純電阻負(fù)載)

1、目 錄第一章   緒 論21.1  電力電子技術(shù)的介紹 21.2  電力電子技術(shù)的應(yīng)用 31.3  電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù) 4第二章   系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)題目 IGBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）42.2  系統(tǒng)的方案及其流程圖      42.3 主電路的設(shè)計(jì) 52.4  參數(shù)的計(jì)算 6第三章 &

2、#160; 控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)83.1 控制電路設(shè)計(jì)83.1.1 控制電路方案選擇83.1.2  SG3525的工作原理 93.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 103.3  保護(hù)電路設(shè)計(jì) 11第四章 系統(tǒng)仿真與分析114.1  仿真軟件Matlab簡(jiǎn)介   114.2  仿真模型的建立 124.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析134.3.1 仿真結(jié)果134.3.2 仿真結(jié)果分析13致  謝14參考文獻(xiàn)    15第一章   緒&

3、#160;論1.1  電力電子技術(shù)的介紹  電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力換。 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(gè)分支。 現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)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)（Power Electr

4、onics）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(gè)倒三角形（如圖）對(duì)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(gè)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(gè)不同的角度來稱呼的。  1.2  電力電子技術(shù)的應(yīng)用  電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的，在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在培養(yǎng)自動(dòng)化

5、專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。 在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚鋺?yīng)用非常廣泛。工業(yè)中大量應(yīng)用的各種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機(jī)車、磁懸浮列車等）、電動(dòng)汽車、飛機(jī)、船舶、電梯等交通運(yùn)輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源、大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電

6、源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設(shè)備。1.3   電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù) 直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車輛的無級(jí)變速及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。 第二章   系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)題目 I

7、GBT升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載） 設(shè)計(jì)要求 1. 輸入直流電壓：Ud =50v 2. 輸出功率：300w 3. 開關(guān)頻率：5KHZ 4. 占空比：10% 50% 5.輸出電壓脈率：<10%2.2  系統(tǒng)的方案及其流程圖      電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。因此，一個(gè)完整的升壓斬波電路也應(yīng)包括主電路，控

8、制電路，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路這些環(huán)節(jié)。直流斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊三部分成。主電路模塊，主要由全控器件IGBT的開通與關(guān)斷的時(shí)間占空比來決定輸出電壓u。的大小?？刂齐娐纺K，可直接用產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525來控制IGBT的開通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動(dòng)IGBT的開通與關(guān)斷。  系統(tǒng)總體流程圖如圖2-1 圖2-1 系統(tǒng)總體流程圖2.3 主電路的設(shè)計(jì)  升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2-2所示 圖2-2  升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2.4&#

9、160; 參數(shù)的計(jì)算  根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選擇大小為50v的直流電壓源，選取升壓斬波電路的占空比為30%。因此，輸出電壓Uo=71.4v，輸出功率P0=Uo2/R。又因?yàn)橐筝敵龉β蕿?00W，可計(jì)算出負(fù)載電阻為17。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。在控制開關(guān)開通期間ton，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關(guān)流回電源負(fù)極。電容C向R供電，輸出電壓Uo上正下負(fù)。電源電壓Ui全部加到電感兩端Ui=UL，在該電壓作用下，電感電流iL線性增長(zhǎng)。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為：在控制開關(guān)關(guān)斷期間toff，iL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，iL

10、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<0，電感電流iL線性減小。在關(guān)斷時(shí)間toff內(nèi)，電感電流減小量的絕對(duì)值為：當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL波形必然周期性重復(fù)，開關(guān)導(dǎo)通期間電感電流iL的增量等于開關(guān)斷開時(shí)電感電流iL的減少量，即iL+=iL-，聯(lián)立（2-1）（2-2）式可得輸出電壓： 由上式可知，是一個(gè)小于1的數(shù)，故輸出電壓比輸入電壓大。 從能量守恒角度分析（假設(shè)電感足夠大，電流平直），電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（UiIton）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（(Uo- Ui)Itoff）相等。列出等式

11、：解得下面確定電流連續(xù)的臨界條件：  如果在T時(shí)刻電感電流iL剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時(shí)iL =2iL，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為： Pi= Ui IL 、P0=Uo Io  忽略損耗，有Pi= P0，于是 聯(lián)立式（2-1）（2-4）（2-5）得臨界電感值為 確定電容的計(jì)算 ： 電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的能量相等，Q=IoT  則電壓變化量Uo可決定脈動(dòng)率。計(jì)算Lc：由式（2-7 ）知Lc=(R/2)(1-)2T ，周期T可由開關(guān)頻率5KHz

12、得出T=2×10-4 s，因?yàn)檫@里占空比的范圍為10% 50%，這里取=30%。把Uo 、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4 H，當(dāng)L>Lc時(shí)，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時(shí)，電感電流越平直，可適當(dāng)取較大的電感值。  計(jì)算C：由式（ 2-9）知C=(UoT)/(RUo ) ，因?yàn)橐箅妷好}動(dòng)率<10%，這里取5%，計(jì)算Uo =Uo×5%=3.57V，代入上式計(jì)算出C=7.06×10-5 F，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當(dāng)取較大的電容值。     第三章  

13、60;控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.1 控制電路設(shè)計(jì) 3.1.1 控制電路方案選擇 控制電路主要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時(shí)能夠通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：（1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；（3）導(dǎo)通時(shí)間和周期T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。  其中第一種是最常用的方法。此次設(shè)計(jì)也采用PWM控制。PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行

14、調(diào)制，來等效的獲得所需的波形。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退璧妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。 本次設(shè)計(jì)中，控制電路以SG3525為核心構(gòu)成。SG3525為美國Silicom General 公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，它采用衡頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源，斬波器的控制。SG3525其內(nèi)部包含精密精準(zhǔn)源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器等，實(shí)現(xiàn)PWM控制所需的基本電路，并含有保護(hù)電路，其電路圖如下圖:圖3 SG352

15、5 電路圖3.1.2  SG3525的工作原理  SG3525的腳16 為基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器，同時(shí)振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端，該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。通過調(diào)節(jié)R7，可在OUTA、OUTB兩端輸出兩個(gè)

16、幅度相等，頻率相等，相位相差180°，占空比可調(diào)的矩形波(即PWM信號(hào))。 3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)  IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)一般難以直接驅(qū)動(dòng)IGBT，因此需要外加驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)變流的成敗，具體來講IGBT的驅(qū)動(dòng)要求動(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)在開通及關(guān)斷延時(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。其次能向 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-

17、5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。而且要具有柵壓限幅電路，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。最后當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(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)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。在本設(shè)計(jì)中，直接采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路，該電路雙側(cè)都有電源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。如圖4所示，控制電路所輸出的PWM信號(hào)通過TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推免電路進(jìn)行放大，

18、從而把輸出的控制信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)IGBT。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對(duì)光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。 圖4 驅(qū)動(dòng)電路3.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)  升壓斬波電路需同時(shí)具有過壓和過流保護(hù)功能，如圖5所示，均采用反饋控制，將過流過壓信號(hào)反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護(hù)作用。同時(shí)芯片SG3525也可完成一定的保護(hù)功能，例如，腳8軟起動(dòng)功能，避免了開關(guān)電源在開機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級(jí)功率開關(guān)管的損壞。圖5 電壓和電流保護(hù)電路第四章  系統(tǒng)仿真與分析 4.1  仿真軟件Matlab簡(jiǎn)介    在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進(jìn)

19、行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來說難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序做近似計(jì)算。目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是MATLAB。MATLAB是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程 序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。本次課程設(shè)計(jì)仿真便是采用MATLAB，利用其面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行主電路的仿真與設(shè)計(jì)。  4.2 仿真模型的建立  IGBT升壓斬波電路模型主要由直流電源

20、、同步觸發(fā)脈沖、IGBT、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的IGBT升壓斬波電路模型如圖7所示。圖7 IGBT升壓斬波電路4.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析4.3.1 仿真結(jié)果4.3.2 仿真結(jié)果分析1. 電壓端輸入大小為Ui=50v的直流電2. 輸出電壓Uo經(jīng) IGBT升壓斬波后輸出直流電壓理論計(jì)算值Uo=71.4v，由上面的波形圖可以看出實(shí)驗(yàn)值約為69.5v與理論值基本符合，誤差為2.66%3. I0和I14. U0和I0 由功率P0= U0×I0知，P0=69.5×4.27=296.765w，誤差為1.08%。致

21、  謝 通過這一個(gè)星期的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)使我收獲頗多。本課程設(shè)計(jì)中，我不僅對(duì)IGBT升壓斬波電路從原理到實(shí)踐上有了深刻的了解，更增強(qiáng)了我對(duì)電力電子技術(shù)這門課的了解。在此次電力電力技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，我自學(xué)了MATLAB軟件在電力電子技術(shù)上的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了我的自學(xué)能力。同時(shí)，在本次設(shè)計(jì)過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己許多方面的不足，對(duì)課上所學(xué)知識(shí)理解不夠深刻，掌握得不夠牢固。使得自己在課程設(shè)計(jì)中多走了許多彎路，但這也迫使我不斷地努力學(xué)習(xí)。我相信自己在以后的學(xué)習(xí)和生活中能夠取得更多的進(jìn)步。使我對(duì)于學(xué)習(xí)和實(shí)踐有了很深的感觸，我深刻的認(rèn)識(shí)到：作為一個(gè)大學(xué)生，動(dòng)手能力和知識(shí)的掌握同樣重要，只有兩者兼?zhèn)洳拍芨玫膽?yīng)對(duì)學(xué)習(xí)及以后的工作。 在此次課程設(shè)計(jì)期間，首先