IGBT降压斩波电路设计.doc

1 引言1.1 直流斩波电路的意义及功能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，也称为直接直流-直流变换器。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。 直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正,以及用于其他领域的交直流电源。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。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降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大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。1.2 本人所做的工作这里首先讨论了降压斩波电路主电路的工作原理及器件的参数选择、额定参数计算，并设计了PWM(脉冲宽度调制)控制方式的降压电路，并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该降压斩波主电路进行了建模，并对仿真结果进行了分析，既避免了繁琐的绘图和计算过程，又尝试得到了一种直观、快捷分析直流变换电路的新方法。2 系统总体方案1.1 设计课题IGBT直流降压斩波电路设计1.2 课程设计目的1.加深理解电力电子技术课程的基本理论2.掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定1.3 设计要求1.电源电压：直流Ud=100V2.输出功率：400W3.占空比4.开关频率5KHz5.L=100mH2.4 主电路及其原理 降压斩波电路的原理图如图2-1所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT,若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图2-1中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。若负载中无反电动势时，只需令EM=0。图2-1 电路原理图如图2-2中V的栅极电压uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数上升。图2-2 降压斩波电路波形图当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1.2所示。负载电压平均值为式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为E，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。负载电流平均值为若负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。3 控制电路设计3.1 控制电路方式控制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，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；3.导通时间ton和周期T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中第一种方式应用最多，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。输出电压连续可调，选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，选用了SG3525芯片，其引脚图如图3-1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，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。图3-1 SG3525芯片3.2 控制电路原理SG3525的振荡频率可表示为 ： 4.1式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。图3-2 控制电路原理图SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图3-2所示，10端外接过压过流保护电路。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。4 电路各元件的参数选择及计算4.1 IGBT(晶闸管)参数普通晶闸管在反向稳态下，一定是处于阻断状态。而与电力二极管不同的是，晶闸管在正向工作时不但可能处于导通状态，也可能处于阻断状态。1.电压额定通常选用晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。电源电压Ud=100V,所以额定电压为200V-300V2.电流额定一般选取其同态平均电流IT(AV)为按此有效值相等的原则所得计算结果的1.5-2倍。 电阻R=6.25，所以额定电流为24-32A因此IGBT选用型号为SGH40N60UFDTU 80A,600V4.2 二极管参数VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通是的电源电压100V。所承受的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流，此电流为。由于电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择L的值为100。因此选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其而定电压为600，额定电流为25。5 电路仿真及结果分析此次应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该降压斩波主电路进行了仿真。1.仿真电路图2.Matlab仿真结果波形图U=100V，=0.5，T=0.1s，R=6.25，L=0.1H电压仿真图电流仿真图3.仿真结果分析给出的E=100V, =0.5 =50V P=400W R=6.256 课程设计体会通过此次课程设计，首先我学会了怎么去使用Matlab,并学到很多的东西。对直流降压斩波电路有了进一步的了解。但是在做课程设计的过程中，也出现了一些问题，最主要还是在使用Matlab仿真中，出现所给频率的一些问题，仿真出的电流波形图上升与下降的时间过短的问题，在将频率变小时，问题得到解决。参考资料1王兆安.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009.1001032洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京:机械工业出版社,2006.953钟炎平.电力电子电路设计.武汉:华中科技大学出版社,2010.186