IGBT降压斩波电路设计

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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=150V2、输出功率：250W3、开关频率4KHz4、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、撰写课程设计报告一一画出主电路、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和解决问题的方法，附参考资料；4

2、、通过答辩。时间安排:2012.12.24-12.29指导教师签名: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11.1IGBT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32.1主电路带纯电阻负载32.2控制电路52.3驱动电路62.4保护电路72.5各器件参数确定83系统仿真及结果分析103.1建立仿真电路模型103.2设置仿真参数113.3仿真结果分析143.4结论17心得体会17参考文献18精品资料IGBT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

3、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问的隔离。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图2降压斩波电路原理图典型降压斩波电路主电路由直流电源E,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，

4、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io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-Em-VD。通过控制触发电路的触发时11,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a由控制信号的占空比来决定。因此可以通过控制触发电路触发信号的参数来控制a的大小，从而控制输出电压的大小。

5、因为0<a<1,所以输出电压始终小丁输入电压，该电路为降压斩波电路。降压斩波的典型波形如下图所示。iGiGO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:tonton-IUoE=E=E(DtontoffTLn表示导通的时；丁而表示截止的时间;a表示导通时间占空比。对丁输出电流，当UoE时电流连续，输出电

6、流平均值大小为：(2)IUo-Em当Uo<E时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。丁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。m产-1当m*-1电流断续，反之则电流连续。T/;m=Em/E;t其中tiT-=a；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Ton内回路电流io增大，由丁电感值很大，所

7、以在回路中形成的的电流io的大小几乎无变化。输出电压为Uo,极性为上正下负。当触发脉冲使V关断时，电源E不再向负载供电时。由丁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丁io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关断时间丁而内留过负载电阻的电流io和其两端的电压Uo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Uge为IGBT的栅极

8、G和射极E两端的电压，Uvd为二极管VD两端的电压，Uo为负载两端的输出电压，占空比a=T°n/T。上述波形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U。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

9、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丁开启电压UGE(th)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。KfflWA问伸

10、入做步端敏电端款同动端Ha1234567fl65432109V*Vrmnnnnn盗EA、地A骨E闭锐控制图6SG3525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。+15V5.1V精品资料iIU,R416_1诉715D2图7PWM控制信号产生电路SG3525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问电容，因

11、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十扰，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，一股取+15V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20V,驱动信号