IGBT升降壓斬波電路設(shè)計說明書

/電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告課題名稱IGBT升降壓斬波電路設(shè)計專業(yè)班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師職稱評分完成日期：2015年1月13日摘要直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器.諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中.使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。升降壓斬波電路綜合了升壓電路和降壓電路的優(yōu)點.可以在一個電路中同時實現(xiàn)升壓和降壓.簡化了電路結(jié)構(gòu)。而全控型器件IGBT的使用為外部自動控制提供了巨大便利.因此其使用范圍在直流斬波電路中很廣泛.對其做研究有很好的使用意義。本文首先比較了兩種具有升降壓功能的DC／DC變換電路.具體地分析了兩種DC／DC變換器的設(shè)計<拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲能電感參數(shù)設(shè)計>.詳細(xì)地闡述了該DC／DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實現(xiàn).通過MATLAB軟件中的Simulink部分建模仿真.最后給出了測試結(jié)果。關(guān)鍵詞：直流斬波；升降壓；IGBT；全控型目錄目錄11設(shè)計任務(wù)要求21.1設(shè)計任務(wù)21.2設(shè)計要求22方案選擇32.1方案一32.2方案二33電路設(shè)計53.1主電路設(shè)計53.2驅(qū)動電路設(shè)計63.3保護電路84仿真控制95心得體會11參考文獻(xiàn)12附錄1程序清單13附錄2元件清單14答辯記錄151設(shè)計任務(wù)要求1.1設(shè)計任務(wù)IGBT升降壓斬波電路設(shè)計〔純電阻負(fù)載設(shè)計條件：〔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：小于10%1.2設(shè)計要求1.分析題目要求.提出2-3種實現(xiàn)方案.比較并確定主電路結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)方案；2.設(shè)計主電路原理圖.觸發(fā)電路原理圖.并設(shè)置必要的保護電路；3.參數(shù)計算.選擇主電路及保護電路元件參數(shù)4.利用仿真軟件MATLAB等進(jìn)行電路優(yōu)化；5.最好可以建模并仿真完成相關(guān)的設(shè)計電路。2方案選擇2.1方案一該DC／DC變換器為前后級串聯(lián)結(jié)構(gòu).前級是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R構(gòu)成降壓變換電路.后級是由2T、2D、L、C構(gòu)成升壓變換電路.其中2D、L、C均出現(xiàn)在前、后級變電路中。采用PWM方式控制兩個主開關(guān)管3T、2T存在一定的困難.因為它們的控制端不共地。為了實現(xiàn)兩路控制信號共地.也只能選用功率晶體管。為此增加輔助開關(guān)管1T.且3T由NPN型改為PNP型.顯然1T、2T是共地的.1T、3T是同步開關(guān)的.這就實現(xiàn)了兩路控制信號的共地。這樣.原本通過控制3T、2T來控制電路的工作狀態(tài).現(xiàn)在是通過1T、2T來控制.1T稱為降壓斬波輔助開關(guān).2T稱為升壓斬波主開關(guān)、3T稱為降壓斬波電路。其電路圖如圖2.1所示:圖2-1原理圖2.2方案二該變換器的結(jié)構(gòu)是運用了全控型器件IGBT.其工作原理是：當(dāng)V導(dǎo)通時.電源E經(jīng)V向L供電使其貯能.此時電流為i1.同時C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V關(guān)斷時.L的能量向負(fù)載釋放.電流為i2.負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正.與電源電壓極性相反.該電路也稱作反極性斬波電路。電路圖如圖2.2?！布訒显韴D圖2-2原理圖方案比較：方案一雖然實現(xiàn)了升降壓,但是利用開關(guān)控制升降壓的變換.而在方案二中直接采用全控型器件IGBT.利用IGBT的通斷控制升降壓的變換.電路比較簡單.而且容易操作。因此.在設(shè)計中我們選擇了方案二來實現(xiàn)升降壓斬波控制。3電路設(shè)計3.1主電路設(shè)計我們最終采用的主電路圖是第二種方案。圖3-1主電路設(shè)電路中電感L很大.電容C也很大.使得電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uO該電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時.電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量.此時電流為il.同時C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。同時.電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。之后使得V關(guān)斷.L的能量向負(fù)載釋放.電流為i2.負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正.與電源電壓極性相反.穩(wěn)態(tài)時.一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零.0TU當(dāng)V處于通態(tài)期間.uL=ud；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間.uL=-uUd?所以輸出電壓為：Uo=當(dāng)輸出端電壓恒定且電流連續(xù)時.電感電流連續(xù)的臨界條件：Lc=連續(xù)模式時的電容值：C=Vo其中紋波電壓為?U0.周期為負(fù)載電阻R=Po其中Po為根據(jù)設(shè)計要求.開關(guān)頻率5KHZ.則開關(guān)周期時間為0.2ms。另設(shè)電壓脈率為10%.作為仿真時電感電阻取值時的依據(jù)。3.2驅(qū)動電路設(shè)計由于IGBT是全控型器件.這給了我們利用"軟件+驅(qū)動電路"的方法去實現(xiàn)對IGBT的開通和關(guān)斷。通過對PWM信號的調(diào)制.實現(xiàn)對IGBT通斷的控制?？刂瓶驁D如下：圖3-2驅(qū)動電路控制框圖在這里.我利用單片機寫程序輸出PWM信號。這里的程序可以通過獨立按鍵很好的調(diào)整占空比的大小。PWM控制程序如附錄1所示。軟件流程圖如下圖3-3軟件流程圖51單片機作為一款簡單有很廉價的控制芯片.在這里被用來作為控制PWM信號的產(chǎn)生和輸出.我們采用了Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。其工作頻率為12MHZ.我們通過定時器中斷的方式來輸出周期為0.02ms的PWM波。圖3-4AT89C51芯片模型IGBT為電壓驅(qū)動型器件.因而需要專用的混合集成驅(qū)動器.這里我們采用三菱公司生產(chǎn)的M57962驅(qū)動模塊。其技術(shù)指標(biāo)如下：特點：單管大功率IGBT模塊驅(qū)動器。M57962的改進(jìn)型.管腳與M57962完全兼容.缺省參數(shù)也基本相同.可以直接代換。可按默認(rèn)值直接使用.也可根據(jù)需要調(diào)節(jié)保護盲區(qū)區(qū)時間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動的時間。應(yīng)用：可驅(qū)動IGBT<300A/1200V或600A/600V>一只圖3-5M57962結(jié)構(gòu)圖圖3-6M57962外部接線圖考慮到單片機I/O口的輸出信號電壓可以達(dá)到5V.而驅(qū)動模塊M57962的原端輸入電壓要求為5V.因此可以直接將單片機PWM輸出口和M57962的信號輸入端13連接。輸出端5的PWM信號可以被抬升至到15V.由于IGBT的柵極-漏極開通電壓為12V至18V.因此這時從M57962模塊輸出的信號可以控制IGBT的關(guān)斷。3.3保護電路緩沖電路又稱為吸收電路.其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt.減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路.用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓.抑制du/dt.減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路.用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt.減小器件的開通損耗。在無緩沖電路的情況下.di/dt很大.關(guān)斷時du/dt很大.并出現(xiàn)很高的過電壓。為了防止IGBT被毀壞.我們需要在IGBT上加關(guān)斷緩沖電路。緩沖電阻取10kΩ.電容仿真取10000uF。圖3-7IGBT緩沖保護晶閘管開通時的di/dt很大.我們需要加開通緩沖電路。晶閘管在實際應(yīng)用中一般只承受換相過電壓.沒有關(guān)斷過電壓問題.關(guān)斷時也沒有較大的du/dt.因此一般采用RC吸收電路即可。緩沖電阻取500Ω.電容仿真取0.25uF。圖3-8二極管緩沖保護4仿真控制通過之前電路方案的選擇和元件值的計算.我們利用MATLAB軟件建立了仿真模型。圖4給出了由IGBT元件組成的升降壓斬波電路仿真模型。圖4-1由IGBT構(gòu)成的Boost-Buck電路模型負(fù)載輸出電壓仿真結(jié)果如下：圖4-2〔a占空比為50%時負(fù)載的波形此時L=1.9e-4.C=1.2e-4.R=8.33。圖4-2〔b占空比為80%時負(fù)載的波形此時L=5.3e-4.C=1.2e-5.R=133.333。圖4-2〔c占空比為20%時負(fù)載的波形此時L=0.333e-4.C=7.68e-4.R=0.5208333。當(dāng)占空比為50%時.此時電路為臨界狀態(tài).理論輸出電壓應(yīng)該為50V,由圖6〔a看出.實際輸出電壓在47V到53V之間波動.輸出電壓脈率小于10%.因此輸出電壓脈率處理合理范圍；當(dāng)占空比為80%.此時電路為升壓狀態(tài).理論輸出電壓應(yīng)該為200V.由圖6〔b看出.實際輸出電壓在180V到200V之間波動.輸出電壓脈率小于10%.因此輸出電壓脈率處理合理范圍；當(dāng)占空比為20%.此時電路為降壓狀態(tài).理論輸出電壓應(yīng)該為12.5V.由圖6〔b看出.實際輸出電壓在12.3V到12.6V之間波動.輸出電壓脈率小于10%.因此輸出電壓脈率處理合理范圍。5心得體會此次電力電子課程設(shè)計.我的任務(wù)是繪制保護電路.驅(qū)動電路以及使用MATLAB軟件中的Simulink子模塊建立升降壓斬波電路的仿真模型。通過仿真計算.我深刻的理解了DC/DC電路中升降壓部分的精妙之處.通過仿真計算.對升降壓電路的理解更上一層樓。升降壓斬波電路綜合了升壓電路和降壓電路的優(yōu)點.可以在一個電路中同時實現(xiàn)升壓和降壓.簡化了電路結(jié)構(gòu)。而全控型器件IGBT的使用為外部自動控制提供了巨大便利.因此其使用范圍在直流斬波電路中很廣泛。此次課程設(shè)計的實驗結(jié)果很好的驗證了升降壓斬波電路的功能特性。MATLAB是一款高深而有效的工具.在分析升降壓斬波電路時發(fā)揮了重要作用。其功能強大.應(yīng)用廣泛.通過仿真取代實物.大大降低了實驗成本。在這次課程設(shè)計中.利用Simulink子模塊建立升降壓斬波電路的仿真模型可以輕松求解所需值.通過輸出波形驗證了理論的正確性.同時節(jié)省了人工計算的難度和實踐的成本。這段時間很好的考驗了我的學(xué)習(xí)能力。由于之前對Simulink不是很了解.因此在空閑時間就在看Simulink工具的參考資料。在仿真遇到困難時就去MATLAB論壇向前輩請教或者直接去向師兄請教.很好的鍛煉了自己的能力。參考文獻(xiàn)[1]王兆安.劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2009.[2]王晶.翁國慶.電力系統(tǒng)的MATLAB-SIMULINK仿真與應(yīng)用[M].XX電子科技大學(xué)出版社,2008.[3]陳堅.電力電子學(xué)[J].高等教育出版社.2002.[4]Lei

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.SpaceVectorPulsewidthAmplitudeModulationforaBuck–BoostVoltage/CurrentSourceInverter.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics.2014,29<1>.[5]陸治軍.王強.一種新型升降壓LED驅(qū)動電源[M].電源技術(shù).2010.12.附錄1程序清單//==========================================#include<reg52.h>unsignedinta,b;//voidmain<>{TMOD=0x01;//T0定時方式1TH0=<65536-200>/256;//0.2ms@12MHz 每個周期12/〔12*1000000=0.2msTL0=<65536-200>%256;TR0=1;ET0=1;EX0=1;EX1=1;IT0=1;IT1=1;EA=1;a=0;b=10;while<1>;}//voidtime0<>interrupt1{