于是出现了电流断续
.
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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，
General 公司的 SG3525 芯
示。
本 设 计 选 用 了 Silicon
片，其引脚图如图 3.4 所
.
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图 3.4 SG3525 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，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 有一个双门限比较器，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 3.5 SG3525 触发电路
由于 SG3525 的振荡频率可表示为：
f =1
Ct （0.7 Rt + 3Rd ）
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=0.01
μF,Rt =1kΩ ,Rd=5.1kΩ 。
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 R
ge
。
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，在国的到了
广泛应用。
EXB841 工作原理如图 3.6 所示。
图 3.6 EXB841 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 0 V ，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 R g 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。
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.
图 3.7 EXB841 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。
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图 3.8 IGBT 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 5 µs 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 10µs，此电路延迟 5µs 工作是因为芯片
检测到过流到 EXB41 的 5 脚信号为低电平需要 5µs，这样经过 NE55P 定时器延
时 5µs，使 IGBT 软开关断后再停止输入信号，避免立即停止输入信号造成硬关
断，伤害 IGBT。
总驱动电路如图 3.10 所示。
图 3.10 总驱动电路
.
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4 仿真设计
4.1 MATLAB 仿真设计
在电力电子设计过程中利用 MATLAB 来进行仿真建模分析有很大的好处，
它不但非常方便而且能够在很大程度围减少因设计问题而造成的浪费。
MATLAB 是美国 Math Works 公司出品的商业数学软件，数据可视化，数据
分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和
Simulink 两大部分。
这里的仿真主要是运用 MATLAB 软件中的 Simulink 工具。
先从 Simulink 的
元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿
真。
在 MATLAB 软件中打开 Simulink 窗口在 Model 里放置器件，本设计仿真的
是降压斩波电路。
所用到的 Simulink 元件有：
直流电压源:
DC Voltage Source
脉冲发生器:
Pulse Generator
绝缘栅双极晶体管:
IGBT
二极管：
Diode
RLC 串联电路：
Series RLC Branch
电压测量模块：
Voltage Measurement
电流测量模块：
Current Measurement
示波器：
Scope
.
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平均值测量模块：
Mean Value
数字显示器：
Display
输出端：
Out
元件参数的设定：
直流电压源设定为整流电路输出电压 210V。
触发信号设定为触发电路输出
信号 1V，频率要求 5.7KHZ，所以周期 0.000175s。
负载由额定电压和额定电流
求得 175。
电感设定 0.05H。
反电动势设定 20V。
仿真电路如图 4.1 所示。
图 4.1 仿真电路
仿真电路做好后设定参数：
仿真时间：
0.08s
算法：
ode23s
90%占空比、50%占空比、10%占空比仿真波形如图 4.2 和 4.3 及 4.4 所示。
.
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图 4.2 90%PWM 电路
图 4.3 50%PWM 电路
.
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图 4.4 10%PWM 电路
4.2MATLAB 仿真分析
对于仿真电路，我们可通过平均测量模块得到：
90%PWM 电压平均测量模块：
188.1V90%PWM 电流平均测量模块：
0.9616A
50%PWM 电压平均测量模块：
104.8V50%PWM 电流平均测量模块：
0.4843A
10%PWM 电压平均测量模块：
22.94V10%PWM 电流平均测量模块：
0.0158A
通过上述数据可知：
在占空比 10%~90%平均电压为 22.94~188.1V 之间，实现了 PWM 对输出电
压的控制，并且符合 210V 额定电压。
在占空比 10%~90%平均电流为 0.0158~0.9616A 之间，符合额定电流 1.2A。
综上所述，本设计满足任务要求。
5.总结
通过这次对 IGBT 直流斩波电机调速系统设计，我对 IGBT 斩波电路有了
更加清晰的认识，同时也对 IGBT 的驱动电路和保护电路也有了更深的了解。
.
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另外，在做设计的过程中我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方
法，加深了对课本知识的进一步理解。
同时这次课程设计应用到 MATLAB 软件，设计时借助 MATLAB 软件进
行系统模型仿真，进一步熟悉了 MATLAB 语言及其应用，用该软件对该电
路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。
同时该次课程设计，还用到了
Altium Designer 软件进行原理图的绘制，熟练地掌握了 Altium Designer 绘
图的技巧。
书写课程设计说明书时使用 WORD 2010 软件，使我掌握了许多
关于 WORD 编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技能。
这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电
力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在电力控制上丰富而强大的
用途，为将来走进工作打下了基础。
这不仅还让我懂得自主学习的重要性，
还认识到做什么事情都要持之以恒，就一定有所收获。
参考文献
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[1] 维波，MATLAB 在电气工程中的应用，中国电力，2007
[2] 王兆安，进军，电力电子技术，机械工业, 2009.5
[3] 传奇，电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业 2006
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