电力电子技术课程设计升压斩波电路的实现.docx
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电力电子技术课程设计升压斩波电路的实现
电力电子技术课程设计--升压斩波电路的实现
《电力电子技术》课程设计
题目：
升压斩波电路的实现
专业：
电气自动化
班级：
2010级
学生姓名：
王小灵
学号：
101401010050
指导教师：
祝敏老师
时间：
2012年12月28日----2013年01月9日
一．设计说明………………………………………………………2
1实现的功能………………………………………………………………2
2设计目的…………………………………………………………………2
3设计依据…………………………………………………………………2
二．正文…………………………………………………………3
1总体的电路设计………………………………………………………3
2主电路设计及原理………………………………………………………4
3参数计算………………………………………………………5
4驱动电路的设计及原理………………………………………………6
4-1IGBT对驱动电路的选择及要求………………………………6
4-2驱动电路图及工作原理………………………………10
5保护电路的设计及原理……………………………………………12
5-1过电压保护………………………………………………12
5-2过电流保护………………………………………………12
6电源电路的设计……………………………………………………13
7元器件清单………………………………………………………13
8仿真电路…………………………………………………14
三．设计总结………………………………………………………15
四．参考资料…………………………………………………15
一、设计说明
1、实现的功能
通过升压DC-DC变换电路实现低输入电压30V~80到高斩波电路输出电压为380V，输出功率1500W
2、设计的目的
直流升压电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。
随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。
直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
通过此次的课程设计是自己掌握以下内容：
1、通过对升压斩波电路的设计，掌握升压斩波电路的工作原理。
2、理解和掌握升压斩波电路及系统的主电路，驱动电路，保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。
3、了解电力电子电路及系统实验和调试的方法。
3设计依据
（1）IGBT的选择
（2）IGBT过流，过压保护
（3）升压斩波电路的设计
（4）驱动电路设计，驱动电路采用EXB841
（5）触发电路供电电源设计
二．正文
1总体的电路设计
如图1总体实现电路设计所示。
电路由升压电路，驱动模块、保护模块电路组成。
图1总体实现电路
由EXB841芯片为核心构成的驱动电路，控制IGBT的导通和关断时间，从而控制电路的升压比β，使其达到：
进而使输出电压达到目的值。
升压电路时整个电路的核心，由一个IGBT和电容、电感值都很大的电容电感各一个。
R为输出负载，电压由此输出。
因为输出功率是一定的150W，从而R为定值963Ω。
其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。
2直流升压斩波主电路图及原理
2-1主电路
直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图下所示
图1主电路
2-2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导通是，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。
假设L值、C值很大
处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定，电容C向负载R供电，输出电压恒定。
断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
设V通态的时间为，此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为，则此期间电感L释放能量为，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
=
化简得：
，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
也称之为boost变换器
—升压比，调节其即可改变Uo。
将升压比的倒数记作β，即。
β和导通占空比α有如下关系：
（3）
因此，式（3）可表示为
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，U。
必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
3参数计算
由直流斩波电路的原理可知
又输入电压为输入直流电压范围：
30V～80V，要求输出直流电压：
380V。
所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。
由计算得：
～80）
又因为要求输出功率P=1500W,=380V
得：
=
又由
，
当时L0.002731H当时L0.016H
所以选择L=0.01H
C>
:
最大纹波电压、最大纹波电压在输出电压的2%
当时C100F当时C87F
所以选择C=90F
4驱动电路
4-1IGBT对驱动电路的选择及要求
根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下：
（1）提供适当的正反向输出电压，使IGBT能可靠的开通和关断。
当正偏电压（+）增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若过大，则负载短路时其随增大而增大，对其安全不利，一般+UGE选+12—+15V为最佳；负偏电压（-）可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，但是受G、E极间最大反向耐压限制，一般取-5—-10V。
（2）IGBT的开关时间应综合考虑。
快速开通和关断有利于提高工作效率，减小开关损耗。
但在大电感负载下，IGBT的开关时间不宜过短，原因在于高速开通和关断会产生很高的尖峰电压dic/dt，极有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
（3）IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
（4）IGBT驱动电路中的电阻对工作性能有较大影响。
较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率du/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；较小，会引起增大，使IGBT误导通或损坏。
的选择原则是应在开关损耗不太大的情况下，选择略大的。
的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧至几十欧，小容量的IGBT其值较大。
（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。
IGBT为压控型元件，当集射极加高压时很容易受外界干扰，使栅射电压超过（th）引起器件误导通。
为了提高抗干扰能力，除驱动IGBT的触发引线应尽量短且应采用双绞线，在栅射极间务必并联栅射电阻,一般取=（1000—5000）,应并在栅射极最近处。
V1，V2是为防止驱动电路出现高压尖峰而并联的两只稳压管，稳压值应与正偏栅压与负偏栅压大小相同而方向相反。
信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强，传输时间短的高速光耦合器件加以隔离。
（6）IGBT在使用时除了采取静电防护措施外，还必须注意以下事项：
1、IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配。
2、当G-E端在开路的情况下，不要给C-E端家电压。
3、在未采取适当的防静电措施情况下，G-E端不能开路。
图3栅射电阻与反串稳压管的并联电路
4最有参数选择
O
O
E
O
O
E
图3-1电流连续
图3-2电流断续
当IGBT处于导通时，得
设的初值为，解上式得
当IGBT处于关断时，设电动机电枢电流为，得
设的初值为，解上式得
当电流连续时，从图3-2的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得
故由上两式求得：
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值，即
当电流断续时的波形如图3-2所示。
当=0时刻==0，令式（1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。
另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即
当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即
根据上式可对电路的工作状态做出判断。
该式也是最优参数选择的依据。
4-2驱动电路图及工作原理
图4EXB841的功能原理图
图5EXB841的电路原理图
EXB841驱动器的各引脚功能如下：
脚1：
连接用于反向偏置电源的滤波电容器；
脚 2：
电源（ ＋ 20V）；
脚3：
驱动输出；
脚4：
用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；
脚5：
过流保护输出；
脚6：
集电极电压监视；
脚7、8：
不接；
脚9：
电源；
脚 10、 11：
不接；
脚 14、 15：
驱动信号输入（一，＋）；
工作原理：
（1）开通过程：
当输入端和脚流过10mA的电流时，光耦合器B导通，A点电位迅速下降使晶闸管V1,V2截止，V2截止使B点电位上升，V4管导通，V5管截止，电源通过②脚、V4及电阻Rc向IGBT提供电源，使之迅速导通。
（2）关断过程：
当输入端和脚的电流为零时，光电耦合器B点截止，A点电位上升使V1和V2导通，V2导通使B点电位下降，V5导通，V4截止，IGBT的栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的③脚电位下降至0V，由于此时③脚电位比①脚电位低5V，即=v，所以IGBT可靠关断。
（3）保护动作:
IGBT正常导通时，稳压管V6不被击穿，V3管不导通，充电使E点电位保持在20V。
若发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，上升，二极管截止则EXB841的⑥脚“悬空”，C点和F点电位开始上升，当上升至一定值时，被击穿，使管导通，电容通过和放电，E点电位逐步下降，从而EXB841的③脚电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。
图1-3是EXB841实际应用电路。
由于EXB841的脚接高电平，故控制脉冲输入脚为低电平时，IGBT导通，脚高电平时，IGBT截止。
稳压管、为栅极电压的正向限府保护，电容、为正、反向电源的滤波电容，①脚还外接发射极的衔位二极管。
此外，当集电极电流过大时IGBT的饱和压降将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位作为过流信号送至⑥脚，通过EXB841内部的保护电路，使栅极电位下降，IGBT截止。
与此同时，⑤脚输出低电平，使光耦合器B导通，输出过电流保护动作信号。
IGBT在发生短路后是不允许立即过快的关断，因为此时短路电流相当大，如果立即关断会造成很大的di/dt，这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压，损坏元件。
EXB841慢关断时间约8us。
EXB841的④脚用于连接外
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