IGBT降压斩波电路设计.docx

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IGBT降压斩波电路设计

目录

摘要1

1前言1

2方案确定2

3主电路设计2

3.1主电路方案2

3.2工作原理3

3.3参数分析4

4控制电路设计5

4.1控制电路方案选择5

4.2工作原理6

4.3控制芯片介绍7

5驱动电路设计9

5.1驱动电路方案选择9

5.2工作原理10

6保护电路设计11

6.1过压保护电路11

6.1.1主电路器件保护11

6.1.2负载过压保护12

6.2过流保护电路13

7系统仿真及结论14

7.1仿真软件的介绍14

7.2仿真电路及其仿真结果14

心得体会16

参考文献17

致谢18

IGBT降压斩波电路设计

摘要：

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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。

直接直流电变流电路也称斩波电路，它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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。

直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：

降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路。

Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。

利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

关键字：

IGBT直流斩波降压斩波

1前言

随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。

伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。

开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

2方案确定

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

图1降压斩波电路结构框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。

控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

3主电路设计

3.1主电路方案

根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。

这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。

而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。

至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

3.2工作原理

根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2所示：

图2主电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。

用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。

电路工作时波形图如图3所示：

图3降压电路波形图

当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。

至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。

当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：

ton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。

通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比α，则Uo随之减小。

由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

3.3参数分析

主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：

（1）电源要求输入电压为100V。

（2）电阻因为当输出电压为200V时，假输出电流为20A。

所以由欧姆定律

可得负载电阻值为1Ω。

（3）IGBT由图3易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当α=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。

故需选择集电极最大连续电流=，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。

（4）二极管其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。

（5）电感L=100mH;

（6）开关频率f=5KHz

（7）电容设计要求输出电压纹波小于1%

4控制电路设计

4.1控制电路方案选择

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。

斩波电路有三种控制方式：

1.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。

因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。

PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。

这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案。

图4SG3525引脚图

其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。

脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端（脚3）。

脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。

4.2工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为：

4.1

式中:

分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。

根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01μF,=,=。

可得f=40kHz，满足要求。

图5控制电路

SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。

因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图5所示10端外接过压过流保护电路。

当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。

SG3525还有稳压作用。

1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。

调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。

4.3控制芯片介绍

本控制电路是以SG3525为核心构成,SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用，它集成了PWM控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图6所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波（即PWM信号）.然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。

图6SG3525A芯片的内部结构

（1）基准电压调整器

基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器

3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。

RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。

把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。

这时3525A的振荡频率可表为：

4.2

在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。

同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。

（3）误差放大器

误差放大器是差动输入的放大器。

它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。

该放大器共模输入电压范围在1.8-3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。

3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。

这样避免了彼此相互影响。

有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

（4）闭锁控制端10

利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

（5）有软起动电路

比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。

该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。

达到2.5V所经的时间为。

占空比由小到大（50%）变化。

（6）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠

比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。

锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出