基于IGBT升压斩波电路设计Word文档格式.docx
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（8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。
1.2设计课题任务及要求
设计一个IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载），要求：
1、输入直流电压：
Ud=50V；
2、输出功率：
300W；
3、开关频率：
5KHz；
4、占空比：
10%~50%；
5、输出电压脉率：
小于10%。
1.3设计方案与总体框图
斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。
其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压Uo的大小。
控制与驱动电路模块：
用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT的开通与关断。
电路模块：
驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。
驱动电路模块：
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。
系统总体流程图如图1所示。
图1系统总体流程图
2主电路设计
直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压斩波电路，又叫Boost变换器，其原理图及工作波形如图2所示
图2升压斩波电路原理及其工作波形图
2
2.1工作原理
在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；
当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通时电容的放电回路。
调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为，同时电容C上的电压向负载R供电。
因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。
设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EIlton。
当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
设V处于断态的时间为,则在此期间电感L释放的能量为（Uo-E）Iltoff。
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
EIlton=（Uo-E）Iltoff
（1）
化简得
（2）
式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
又称boost变换器（BoostConverter）。
式
（2）中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。
将升压比的倒数记作β，即β=。
则β和占空比α有如下关系
α+β=1（3）
因此，式
（2）可表示为：
（4）
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:
一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。
在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4）所得结果。
不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EIl=UoIo（5）
该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。
根据电路结构并结合式（4）得出输出电流的平均值Io为
（6）
由式（5）即可得出电源电流为
（7）
下面确定电流连续的临界条件：
如果在T时刻电感电流刚好降到0,则为电流连续与断续的临界工作状态。
此时电感电流平均值为
（8）
又由式（4）和式（5）可得
（9）
联立式（8）、（9）可得，在临界状态下的电感值为
（10）
当时时，升压斩波电路工作在连续状态下。
电感越大时，电感电流越平直。
电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，即
（11）
则电压变化量
（12）
所以电容值为
（13）
滤波电容越大，输出电压越平直。
2.2参数的计算
（1）输出电压、负载电阻、输出电流
根据设计要求，可取输入直流电压E=50V，输出功率Po=300W，占空比α=0.5。
因此，由式（4）得输出电压
（14）
负载电阻为
Ω，
取标称值R=32。
由（6）式可得输出电流为
由（7）式可得电源电流为
（2）电感L、电容C
要求开关频率fs=5KHz，所以开关周期s。
由式（10）可得在临界状态下的电感值为
为使升压斩波电路工作在连续状态下，取=。
确定电容的计算
要求输出电压脉率小于10，取5，则。
代入式（13）可得
F
为使输出电压较平直，取电容值C=。
（3）IGBT
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50V；
而当α=1时，IGBT有最大电流，其值为3A。
故需选择集电极最大连续电流Ic=6A，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。
（4）续流二极管
其承受最大反压50V，其承受最大电流趋近于10A，考虑2倍裕量，故需选择UN≥200V，IN≥10A的二极管。
3控制和驱动电路的设计
3
3.1控制电路设计
3.1.1控制电路方案选择
控制电路主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，同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：
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（PWM）或脉冲调宽型；
2）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；
3）ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
其中，又以第1种应用最多，故本设计中也采用PWM控制。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。
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。
升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件，其栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。
使IGBT开通的栅射极间的驱动电压一般取15~20V。
同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。
在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡，改电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。
本设计中，控制电路以SG3525为核心构成。
SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用PWM控制集成电路，它采用衡频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。
SG3525其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等，实现PWM控制所需的基本电路，并含有保护电路。
其电路图如图3所示
图3SG3525电路图
3.1.2SG3525的工作原理
SG3525的脚16为基准电压源输出，精度可以达到（5.1±
1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。
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，同时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。
通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。
通过调节R7，可在OUTA、OUTB两端输出两个幅度相等,频率相等,相位相差180°
占空比可调的矩形波（即PWM信号）。
3.2驱动电路设计
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT，因此需要外加驱动电路。
驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲IGBT的驱动要求动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。
其次能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。
而且要具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。
IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。
最后当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
在本设计中，直接采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有电源。
其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
另外它使用比较方便，稳定性比较好。
如图4所示，控制电路所输出的PWM信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大以驱动IGBT。
为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
图4驱动电路
3.3保护电路设计
升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，如图5所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。
同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。
图5电压和电流保护电路
3.4总电路
如图6所示。
220V的交流电经变压器变压后输入到由D9、D10、D11、D12四个整流二极管组成的整流电路输入端。
经整流后电压含有较大的纹波，故通过L3、C4组成的LC低通滤波器进行滤波。
滤波后输出的电压就比较平滑了。
接下来就是由电感L4、斩波器件IGBT、电力二极管D14、电容C6组成的升压斩波电路。
通过调节滑动电阻器R6改变驱动信号PWM的占空比就可以调节输出到负载R5两端电压。
图6总电路图
4系统仿真与分析
4
4.1仿真软件Matlab简介
在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。
这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。
目前比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。
MATLAB是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交
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