基于IGBT的降压斩波电路Word下载.docx

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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。

因此,在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压,大电流和高效率发展的趋势，促进了IＧBＴ降压斩波电路的发展。

本系统正是基于IGBＴ的直流斩波作为直流电机调速系统。

2课程设计的方案

2．1概述

本次设计主要是综合电力电子所学知识，设计出对直流电机的调速系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。

能够较全面地巩固和应用电力电子课程中所学的基本理论和基本方法。

应用场合:

应用于电力机车和高速动车组,风力发电机调速等工业控制领域。

系统功能介绍：

IGBT降压斩波电路,可通过ＩＧＢT的通断,控制电机两端电压的变化，从而达到直流调速的目的，系统具有过压过流保护电路。

2.２系统组成总体结构

直流斩波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。

它在电源的设计上有很重要的应用。

一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。

在这里，本系统设计的是基于IGＢＴ的降压斩波电路。

系统电路主要分为三个部分,分别为主电路模块，触发电路模块和驱动电路模块,其次还需要整流电路和保护电路。

系统整体框图如图2.1所示。

图2.1　系统整体框图

3硬件设计

3．1整流电路设计

供给斩波的直流电是由交流电经整流后得到的，其匝数比经计算为1:

0．7５。

整流桥后加大电容和大电感对电压和电流进行滤波。

整流电路如图3.１所示。

图３.1整流电路

由任务要求可知要求供给斩波的直流电压为210V。

触发电路的PWM调节范围为１０%--９0%,当触发电路占空比为90%时输出电压最大为额定电压。

触发器占空比９0%时负载电压:

UR=21０Ｖ

整流桥输出电压:

U1＝2１0/0.9=2３3.33V

变压器二次侧电压有效值为：

Ｕ2=233/√2=１６4.7６V

变压器二次侧电流最大有效值为：

I2＝1．2Ａ

变压器一次侧与二次侧匝数比：

Ｎ1:

N2＝1:

0.75

3.2主电路设计

主电路是整个斩波电路的核心，本系统设计的是降压斩波电路模块,通过降压斩波电路实现对电机两端电压调节,从而达到对电机调速的目的。

主电路如图3.2所示。

图３.２　主电路

如图3.2所示，IＧBT在控制信号的作用下开通与关断。

开通时,二极管截止，电流流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。

而IＧBT截止时，电感L开始放电为负载供电，二极管VD导通,形成回路。

IGBT以这种方式不断重复开通和关断，而电感L足够大,使得负载电流连续,而电压断续。

从总体上看，输出电压的平均值减小了。

输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。

这也就是降压斩波电路的工作原理。

降压斩波的典型波形如图3.３所示。

图3.3降压斩波波形图

图3.2中的负载为电动机，是一种放电动式负载。

反电动势负载有电流连续和电流断续两种工作状态。

分别入图３.3中a）和ｂ）所示。

无论哪一种情况,输出电压的平均值都与负载无关，其大小为:

（3－1）

ＴＯN表示导通的时间;

TOFF表示截止的时间；

α表示导通时间占空比。

对于输出电流，当U０＞E时,电流连续，输出电流平均值大小为：

（3-2）

当U0＜E时，电流既无法通过IＧＢＴ也无法通过二极管。

于是出现了电流断续的现象。

一般不希望出现电流断续的现象,因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。

3.3　触发电路设计

触发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；

2）保持导通时间不变,改变开关周期T,成为频率调制；

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。

这种电路改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压,因此脉冲等幅，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,可以通过一些数字运算芯片如单片机、CＰＬD等等来输出PWM波,也可以通过特定的ＰWM发生芯片来控制。

因为要求输出电压连续可调，所以本设计选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片,本设计选用了Ｓilicoｎ　Ｇeｎeraｌ公司的SG35２５芯片，其引脚图如图3.4所示。

图３.4SG35２5触发芯片

SG35２5是一款专用的PWM控制集成电路芯片,它采用恒定频率宽度调制控制方案,内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

其11和1４脚输出两个等频率等幅、相位互补、占空比可调的ＰWＭ信号。

其6和脚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和同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器。

根据系统的动态和静态特性要求,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。

本设计所用触发电路如图3.5所示。

图3．5SG3525触发电路

由于ＳG3525的振荡频率可表示为:

ﻫ

式中:

Ct,Rt分别是与脚5和脚6相连的振荡器的电容和电阻,Rd是与脚7相连的放电端的电阻。

根据任务要求需要频率为5.7kHｚ，所以由上式可取Ｃt=0．01μF,Rt=,Rd=5.。

可得f=5．7ｋＨz，满足要求。

3.4驱动电路设计

驱动电路的作用是将芯片输出的脉冲进行功率放大,以驱动IGBＴ。

对于保证IＧBＴ的可靠工作,驱动电路起着至关重要的作用。

对于驱动电路的设计要求，我们遵从以下四点：

1）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。

2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压,一般取＋15　V左右的正向栅射驱动电压比较恰当，取-5V反向栅射驱动电压能让IGBT可靠截止。

3）具有栅射驱动电压限幅电路,保护栅极不被击穿。

IGＢＴ栅极极限电压一般为±

20V,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。

4）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射驱动电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。

当然驱动电路还要注意其他几个问题。

主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge。

以及要有足够的输入输出电隔离能力,要能够保证输入输出信号无延时。

经资料查找确定了本设计所用日本ＦＵＪI公司的EＸB８41芯片,它具有单电源，正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性。

其功能比较完善,在国内的到了广泛应用。

ＥＸB841工作原理如图3.6所示。

图3.6EXB8４1内部原理图

　　1）正常开通过程：

当EXＢ８41输入端脚14和脚15有10ｍA的电流流过时,光耦合IＳO１导通,A点电位迅速下降至0V，V1和Ｖ2截止。

Ｖ２截止使D点电位上升至２0　V，V４导通,V5截止,ＥXＢ8４1通过Ｖ４及栅极电阻Ｒg向一个ＩGＢＴ提供电流使之迅速导通。

２）正常关断过程：

控制电路使EＸB841输入端脚1４和脚15无电流流过,光耦合ISＯ１不通,Ａ点电位上升使V１和V２导通。

V２导通使V4截止、V５导通，IGＢT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V，使ＩGBＴ可靠关断。

本设计EＸB８41驱动电路如图3.7所示。

图3．７EXB841驱动电路

本设计对驱动电路进行了优化:

驱动电路中D１1起保护作用，避免EXB8４1的6脚承受过压，通过D6检测是否过流，接D７的目的是为了改变EXＢ模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。

R１1和C９及Ｄ１0接在+20V电源上保证稳定的电压。

D8和D9避免栅极和发射极出现电压,Ｒ1２是防止IGBT误导通。

３.５　保护电路设计

对于保护电路在触发电路和驱动电路上都有体现，SＧ3525和ＥＸB8４１都集成了电流电压的保护电路。

IGＢT上也设计了对主器件的保护电路。

在系统整流后也加熔断器进行过流保护。

主器件ＩGBT的保护如图3.８所示。

图３.8IGBT保护电路

对于IGＢT保护电路，当达到—定电压值时,自动开通保护电路,使过电压通过保护电路形成通路,消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性,可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。

对于驱动电路还存在故障信号不稳定的问题,这些问题将伤害ＩGBＴ，所以在驱动电路上进行了改进。

如图3.９所示。

图3.9驱动故障封锁电路

故障封锁电路：

当IGBT正常工作时EXB841的5脚是高电平,此时光耦合6N13７截止,其6脚为高电平，从而Ｖ1导通，于是电容C12不充电,NE５５5P的3脚输出高电平,输入信号被接到1５脚,EＸＢ８4１正常工作驱动IGＢT。

当EXB8４1检测到过流时ＥXＢ841的5脚变为低电平，于是光耦合导通使V1截止,+5V电压经Ｒ1５和R１6对C１3充电,Ｒ15和Ｒ16总电阻为90K，C１3为100ｐF，经过５µ

s后ＮＥ５5P的3脚输出为低电平，通过与门将输入信号封锁。

因为,EＸB841从检测到IGBT过流到对其软关断结束要１０µ

s,此电路延迟5µ

ｓ工作是因为芯片检测到过流到EXB4１的5脚信号为低电平需