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1、.-课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目:IGBT降压斩波电路设计（纯电阻负载）设计条件： 1、输入直流电压：Ud=150V 2、输出功率：250W 3、开关频率4KHz 4、占空比5%50% 5、输出电压脉率：小于5%要求完成的主要任务: 1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路； 2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真； 3、撰写课程设计报告画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的 工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路 典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明 仿真过程中遇到的问题
2、和解决问题的方法，附参考资料； 4、通过答辩。时间安排：2012.12.24-12.29指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录1原理分析及电路设计1 1.1IGBT降压斩波电路组成11.2主电路工作原理及结构说明12各模块电路设计3 2.1主电路带纯电阻负载3 2.2控制电路4 2.3驱动电路6 2.4保护电路7 2.5各器件参数确定83系统仿真及结果分析10 3.1建立仿真电路模型10 3.2设置仿真参数11 3.3仿真结果分析14 3.4结论16心得体会17参考文献18IGBT降压斩波电路设计1原理分析及电路设计1.1IGBT降压斩波电路组成直流-直流变流电
3、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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路，IGBT降压斩波电路是直接直流变流电路。直流降压斩波电路不需要输入输出间的隔离。直流电压变换电路主要可控器件为全控器件IGBT，其所带负载可为阻性感性以及容性。与一般电子电路结构类似，直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。电路的结构框图如图1所示。图1 电路结构框图除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。1.2主电路工作原理及结构说明典型降压斩波电路的原理图如图2所示。 图2 降压斩波电路原理图 典型降压斩波电
4、路主电路由直流电源,全空型器件IGBT-V,普通单向导通二极管VD及电感组成。其中IGBT作为开关器件使用，二极管起续流的作用，同时为了使负载电流脉动小，电感的L的值一般非常大。如图3所示，IGBT在控制电路触发信号的作用下导通与关断。导通时，二极管截止，电流流过大电感L，电源给电感L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L-R-VD。通过控制触发电路的触发时间，IGBT以这种方式不断重复导通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从输出电压波形图上计算输出电压平均值，可知输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比由控制信号
5、的占空比来决定。因此可以通过控制触发电路触发信号的参数来控制的大小，从而控制输出电压的大小。因为，所以输出电压始终小于输入电压，该电路为降压斩波电路。降压斩波的典型波形如下图所示。 图3 降压斩波电路工作波形图降压斩波电路可以带多种，带不同的负载则工作在不同的状态。可带感性、容性、阻性以及带反电动势负载。图3为典型降压斩波电路反电动势负载的工作波形。反电动势负载有电流断续和电流连续两种工作状态。分别如图3中a）和b）所示。由输出电压的波形图可知，在电流断续与连续的情况下输出电压的平均值都与负载无关，其大小为： （1）表示导通的时；表示截止的时间 ；表示导通时间占空比。对于输出电流，当时电流连续
6、，输出电流平均值大小为： （2）当UoE时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。于是便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。当 电流断续，反之则电流连续。其中。2各模块电路设计2.1主电路带纯电阻负载带纯电阻负载降压斩波电路如图4所示。 图4 带电阻降压斩波电路（1）工作原理：当触发脉冲使V导通时,电源E向负载供电，续流二极管VD因承受反向电压而关断，因此形成回路E-V-L-R-E。同时电容C 被充电，电感L在蓄积能量。在V导通的时间内回路电流增大，由于电感值很大，所以在回路中形成的的电流的大小几乎无变化。输出电压为,极性为上
7、正下负。当触发脉冲使V关断时，电源E不再向负载供电时。由于电感的电流不能突变，此时二极管VD承受反压导通续流，使回路中的电流逐渐减小，消耗在负载电阻上。当电感的的能量释放到使流过电感的电流小于时，电容C开始放电，与流过电感的电流叠加保持负载电流基本不变。整个关断过程即是电感通过回路L-R-VD-L释放能量和电容通过回路C-R-C放电的过程，在V关断时间内留过负载电阻的电流和其两端的电压基本不变。在上述两种工作状态下降压斩波电路的工作波形如图5所示。 图5 降压斩波电路工作波形（纯电阻负载） 其中为IGBT的栅极G和射极E两端的电压，为二极管VD两端的电压，为负载两端的输出电压，占空比。上述波形
8、是在各器件工作在理想状态下的波形。IGBT没有导通和关断延迟，也没有导通压降和漏电流；非线性元件电感和电容都工作在线性区，即在导通和关断过程中不出现饱和现象；且电感电容的值足够大，使输出电压基本无脉动。2.2控制电路 由典型降压斩波电路可知，输出电压的大小由占空比a控制，所以通过调节占空比a就可以调节输出电压的大小。斩波电路中有三种调节占空比方式：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。其中第一种是最常用的方法，其调节占空比的实质是给全控
9、器件IGBT的栅极G和射极E之间所加电压在一个开关周期内大于开启电压的时间ton的大小，即调节脉冲宽度。PWM控制信号的产生方法有很多，有与IGBT相适配的专用触发芯片SG3525。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。SG3525管脚图如图6所示。 图6 SG3525引脚图 各引脚功能功能说明见附录2。由SG3525构成的PWM控制信号产生电路如图7所示。 图7 PWM控制信号产生电路 SG35
10、25所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路将信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。2.3驱动电路IGBT是电压驱动型电力电子器件，栅射极之间存在数千皮法的极间电容，因此控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电器隔离的部分。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿
11、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左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）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20 V，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。 IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。可以选择EXB841或EX840驱动芯片。驱动电路如
12、图8所示。 图8 驱动电路 2.4保护电路保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。驱动电路中VZ5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3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。R1和C1及VZ4接在+20 V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，电阻Rge是防止IGBT误导通。针对 EXB840存在保护盲区的问题，可如图8所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小
13、脉宽进行封锁，从而保证软关断的顺利进行。该电路解决了EXB841存在的过电流保护无自锁功能这一问题。经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和-5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)。图8下半部分所示为故障信号的封锁电路。
14、当IGBT正常工作时EXB841的5脚是高电平，此时光耦6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C6不充电，NE555 P的3脚输出为高电平，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT。当EXB841检测到过电流时EXB841的5脚变为低电平，于是光耦导通使V1截止，+5V电压经凡和R4对几充电，R5和R，的总阻值为90K,C6为100 pF，经过5 us后NE555P的3脚输出为低电平，通过与门将输人信号封锁。因为EXB841从检测到IGBT过电流到对其软关断结束要10 ms，此电路延迟5us，工作是因为EXB841检测到过电流到EXB841的5脚信号为低电平需要5
15、 us，这样经过NE555 P定时器延迟5 ms使IGBT软关断后再停止输人信号，避免立即停止输人信号造成硬关断。2.5各器件参数确定当V导通时，电感L充电，充电电流基本恒定。V处于导通的时间为，此阶段电源提供的能量为。当V处于断态时L和C共同向负载供电时间为，同时因为C值很大，基本保持输出电压基本不变。在整个周期T过程中，电感电容充放电过程完全相反没有能量变化，负载消耗的的。当电路工作于稳态时，一个周期T中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 （3）则 （4）由于储能电感的时间常数远大于开关周期T，因此在充放电过程中电感的电流变化可以看着线性增长和衰减的，在时刻达到最
16、大值。电感电流与t的关系如图9所示。 图9 电感电流波形图 由图9 可知： （5） （6） 当电路的参数选取是当时，电感电流连续变化，不出现为0的情况。 当电感较L小时，负载电阻R较大时，则负载电路的时间常数较小或当开关周期T较大时，将出现电感电流已下降到0，但下一个开关周期还没到来，即电感电流断续。当一个开关周期结束时电感电流刚好衰减到0时，即电感电流连续与断续的临界点，临界情况如图10所。 图10 临界波形图 由图10结合式（5）（6）可知，临界状态下 （7） 其中。结合式（5）（6）（7）可知 (8) 电容在充电户的的电压为 (9) 由上式可得 (10) 有设计要求可知E=150V,P0
17、=250W,0.05a1mH。设计要求输出电压的脉率小于5%，取电压脉率为4%，则实际取电容C的值应取得大一些，以使输出电压基本保持不变。控制电路的各元件的参数如原理图所示（图7）。如原理图所示连接电路，可产生PWM控制信号，脉宽调制范围为050%。满足设计要求占空比15%50%。3系统仿真及结果分析3.1建立仿真电路模型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范围内减少因设计问题而造成的浪费。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
18、后即可进行仿真。 在matlab中新建model文件,从simulink library中加载构成仿真电路所需要的元器件，连接好的系统仿真电路图如图11所示。 图11 系统仿真电路图3.2设置仿真参数按如下步骤设置仿真参数。（1）直流电压源大小设置为150V，如图12所示。 图12 直流电压源参数设置 （2）PWM控制信号设置，幅值为1，周期为0.000025s，占空比为50%，占空比根据需要调节，如图13所示。 图13 PWM控制信号参数设置 （3） 电感的值设置为0.84mH,如图14所示。 图14 电感值设置（4） 电阻值设置为10，如图15所示。 图15 电阻值设置 （5） 电容值设置
19、为0.18mF，如图16所示。 图16 电容值设置（6）示波器参数设置，如图17（a）(b)所示。 (a) (b) 图17 示波器参数设置3.3仿真结果分析在PWM控制信号设置为不同的占空比时，输出电压的大小也不同，通过示波器我们可以观察PWM波形(a),电感电压波形(b)，VD两端电压波形(c)，电感电流波形(d)，输出电压(e)电流(f)波形。改变占空比a，则输出的波形也会改变，图18为占空比为50%时的仿真结果。 (a) 仿真波形 （b) 仿真波形 (c) 仿真波形 (d) 仿真波形 (e) 仿真波形 (f) 仿真波形 图18 占空比为50%时仿真波形图 通过实际仿真可知，选取几个特定的
20、占空比仿真，可得到输出电压的值及波形，可得如图18所示的类似波形，占空比为a，根据理论计算公式也可计算出输出电压的理论值。 当a=5%,的仿真值为8.43V，理论计算值。 当a=15%,的仿真值为24.49V，理论计算值。 当a=25%,的仿真值为38.6V，理论计算值。 当a=40%,的仿真值为59.12V，理论计算值。 当a=50%,的仿真值为74.13V，理论计算值。 通过仿真可得，在当前设置的电阻电感电容值下，电感电流连续与断续的临界占空比为a=33.3%,其波形图如图19所示。 图19 临界状态下波形对比仿真结果可知，测量值与理论值存在一定的误差，但误差允许范围内，所以仿真结果满足设
21、计要求，即本系统满足设计要求。 3.4结论 综上所述，本设计可结合典型降压斩波电路，设计纯电阻负载斩波电路。实际仿真结果表明，主电路，控制电路，驱动电路，保护电路设计均满足设计要求。即输出负载功率为250W，占空比在5%50%之间，输出电压脉率小于5%。心得体会 电力电子技术课程设计是对电力电子技术的综合运用，在电力电子变换四大类型中，本次设计是直流-直流变换中直接直流变换降压斩波。 在本次降压斩波电路设计过程中，我认识到任何一个完整的电力电子系统必须包含主电路，控制电路，驱动电路，保护电路，检测电路。通过对组电路的设计及参数确定我更加熟练地掌握了降压斩波电路的工作原理，通过对控电路的设计让我
22、认识到，不同的类型的电力电子器件由于内部结构不同，其工作原理也不同。保护电路是电力电子系统必不可少的部分。通过这次对降压直流斩波电路的课程设计，巩固了理论知识。 在本次设计过程中运用到了两款专业软件Altium Designer和MATLAB，通过对个部分电路图的绘制，进一步掌握了运用Altium Designer绘制原理图的技巧。通过运用MATLAB中Simulink组件可以建立系统仿真模型对电路系统进行实时仿真，用该软件对该电路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。但在实际运用过程对其一些功能还是不很了解，因此在仿真过程中出现了一点小错误，通过进一步查阅资料解决了这一问题。同时本次课程设计是
23、以组为单位，在设计准备阶段共同收集资料，讨论设计方案，提高了本次设计的效率，也提高了自身的团队合作能力。 每一次课程设计报告书的撰写就是又一次提高个人专业素养的过程。总之本次课程设计巩固了理论知识，拓展了课外知识和提高个人专业素养。 参考文献1王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20082王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 3叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19994马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,20045马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,20046周克宁.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，200
24、4附录一：总电路图 附录二：SG3525的引脚图及结构方框图1)SG3525的引脚如图所示。(1)反相输入端(引脚1):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载而定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器的共模输入电压范围为1.55.2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。(2)同相输入端(引脚2):此端通常接到基准电压引脚16的分压电阻上，取得2.5V的基准比较电压与引脚1的取样电压相比较。(3)同步端(引脚3):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个
25、芯片有各自的振荡频率，可以分别与它们的引脚4相副脚3相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步;也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。图1 SG3525的引脚及结构方框图(4)同步输出端(引脚4):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比振荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，引脚3相副脚4悬空。引脚4的输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波的电压范围为0.63.5V。(5)振荡电容端(引脚5):振荡电容一端接至引脚5，另一端直接接至地端。其取值范围为0.0010.1pF。正常工作时，在研两端可以得到一个从0.63.5V变化的锯齿
26、波。(6)振荡电阻端(引脚6):振荡电阻一端接至引脚6，另一端直接接至地端。RT的阻值决定了内部恒流值对研充电。其取值范围为215Okn。RT和研越大，充电时间越长;反之，则充电时间短。(7)放电端(引脚7):Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开，有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽，其取值范围为0500no放电电阻RD和乙越大，放电时间越长;反之，则放电时间短。(8)软起动(引脚8):比较器的反相端，即软起动器控制端(引脚8)，引脚8可外接软起动电容。该电容由内部UREF的50pA恒流源充电。(9)补偿端(引脚9):在误差放大器输出端引脚9与误差放大
27、器反相输入端引脚1间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1.55.2V。(10)封锁端(引脚10):引脚10为PWM锁存器的一个输入端，一般在该端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软起动引脚8接的电容C将被放电。电路正常工作时，该端呈高电平，其电位高于锯齿波的峰值电位(3，30V)。在电路异常时，只要引脚10的电压大于0.7V，三极管导通，反相端的电压将低于锯齿波的谷底电压(0.9V)，使得输出PWM信号关闭，起到保护作用(输人高电平关闭信号)。(11)脉冲输出端(引脚11、引脚14):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更
28、快。引脚11相副脚14相位相差180。，拉电流和灌电流峰值达200nA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收之间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，持续时间约为100ns。可以在Uc处接一个约0.l件F的电容滤去电压尖峰。(12)接地端(引脚12):该芯片上的所有电压都是相对于引脚12而言，既是功率地也是信号地。在实际电路中，由于接入误差放大器反相输入端的反馈电压也是相对于引脚12而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。(13)推挽输出电路电压输入端屿1脚13):作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。可以和副脚15共用一个电源，也可用更高电压的电源，电压范围是1834V。(14)芯片电源
29、端(引脚15):直流电源从引脚15引人分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1V土1的内部基准电压。如果该引脚电压低于门限电压(8V)，该芯片内部电路锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)使消耗的电流降至很小(约2mA)。另外，该引脚电压最大不能超过35V，使用中应该用电容直接旁路到地端引脚12。(15)基准电压端(引脚16):基准电压端引脚16的电压由内部控制在5.1V土1。可以分压后作为误差放大器的参考电压。2)SG3525脉宽调制器的特点。(1)工作电压范围宽:835V。 (2)5.1V士1%微调基准电源。 (3)振汤器上作频率泡围觅:l00400kHz。 (4)具有振荡器外部同步功能。 (5)死区时间可调。 (6)内置软起动电路。 (7)具有输入欠电压锁定功能。 (8)具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。 (9)逐个脉冲关断。 (10)双路输出(灌电流啦电流):500mA(峰值)。