IGBT升壓斬波電路設計(純電阻負載)

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

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

3、#160;論1.1  電力電子技術的介紹  電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW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不同電力電子技術主要用于電力換。 電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。 現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子學（Power Electr

4、onics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術”是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。  1.2  電力電子技術的應用  電力電子技術是一門新興技術，它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化

5、專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結構和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、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、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?，其應用非常廣泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構成的直流電

6、源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術的設備。1.3   電力電子技術中的直流變化技術 直流變換技術已被廣泛的應用于開關電源及直流電動機驅(qū)動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(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，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側諧波電流的作用。 第二章   系統(tǒng)總體方案及主電路設計2.1 設計題目 I

7、GBT升壓斬波電路設計（純電阻負載） 設計要求 1. 輸入直流電壓：Ud =50v 2. 輸出功率：300w 3. 開關頻率：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      電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個系統(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，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。因此，一個完整的升壓斬波電路也應包括主電路，控

8、制電路，驅(qū)動電路和保護電路這些環(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的開通與關斷的時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的開通與關斷。驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動電路把控制信號轉換為電壓信號加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動IGBT的開通與關斷。  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 主電路的設計  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)的計算  根據(jù)設計要求，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。又因為要求輸出功率為300W，可計算出負載電阻為17。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關的驅(qū)動電路。在控制開關開通期間ton，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關流回電源負極。電容C向R供電，輸出電壓Uo上正下負。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。在導通之間內(nèi)，電感電流增量為：在控制開關關斷期間toff，iL經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負右正，認為電感很大，iL

10、不變。這樣，電源和電感同時給電容C和負載R供電，負載兩端電壓仍是上正下負。電感電壓UL=Ui Uo<0，電感電流iL線性減小。在關斷時間toff內(nèi)，電感電流減小量的絕對值為：當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感電流iL波形必然周期性重復，開關導通期間電感電流iL的增量等于開關斷開時電感電流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（假設電感足夠大，電流平直），電路達到穩(wěn)態(tài)時，電感在開關開通期間吸收的能量（UiIton）與開關關斷期間釋放的能量（(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 確定電容的計算 ： 電容在關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可決定脈動率。計算Lc：由式（2-7 ）知Lc=(R/2)(1-)2T ，周期T可由開關頻率5KHz

12、得出T=2×10-4 s，因為這里占空比的范圍為10% 50%，這里取=30%。把Uo 、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4 H，當L>Lc時，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時，電感電流越平直，可適當取較大的電感值。  計算C：由式（ 2-9）知C=(UoT)/(RUo ) ，因為要求電壓脈動率<10%，這里取5%，計算Uo =Uo×5%=3.57V，代入上式計算出C=7.06×10-5 F，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當取較大的電容值。     第三章  

13、60;控制和驅(qū)動電路的設計3.1 控制電路設計 3.1.1 控制電路方案選擇 控制電路主要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時能夠通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：（1）保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）保持導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；（3）導通時間和周期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。此次設計也采用PWM控制。PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術，即通過一系列脈沖的寬度進行

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脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。 本次設計中，控制電路以SG3525為核心構成。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，適合于各種開關電源，斬波器的控制。SG3525其內(nèi)部包含精密精準源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器等，實現(xiàn)PWM控制所需的基本電路，并含有保護電路，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 為基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器，同時振蕩器還設有外同步輸入端(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，該放大器是一個兩級差分放大器。通過R2、R3、C3結合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

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)。 3.2 驅(qū)動電路設計  IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以直接驅(qū)動IGBT，因此需要外加驅(qū)動電路。驅(qū)動電路是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗，具體來講IGBT的驅(qū)動要求動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關斷延時，同時要保證當IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。其次能向 IGBT提供適當?shù)恼蚝头聪驏艍海话闳?15 V左右的正向柵壓比較恰當，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，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。最后當 IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT 的軟關斷。驅(qū)動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。在本設計中，直接采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側都有電源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測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信號通過TLP521-1光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推免電路進行放大，

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

19、行大量的數(shù)學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。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、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程 序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。本次課程設計仿真便是采用MATLAB，利用其面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖，使用Power System工具箱進行主電路的仿真與設計。  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面向電氣原理結構圖方法構成的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)仿真結果及分析4.3.1 仿真結果4.3.2 仿真結果分析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算值Uo=71.4v，由上面的波形圖可以看出實驗值約為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 通過這一個星期的電力電子技術課程設計使我收獲頗多。本課程設計中，我不僅對IGBT升壓斬波電路從原理到實踐上有了深刻的了解，更增強了我對電力電子技術這門課的了解。在此次電力電力技術課程設計中，我自學了MATLAB軟件在電力電子技術上的應用，進一步增強了我的自學能力。同時，在本次設計過程中我也發(fā)現(xiàn)了自己許多方面的不足，對課上所學知識理解不夠深刻，掌握得不夠牢固。使得自己在課程設計中多走了許多彎路，但這也迫使我不斷地努力學習。我相信自己在以后的學習和生活中能夠取得更多的進步。使我對于學習和實踐有了很深的感觸，我深刻的認識到：作為一個大學生，動手能力和知識的掌握同樣重要，只有兩者兼?zhèn)洳拍芨玫膽獙W習及以后的工作。 在此次課程設計期間，首先