IGBT升压斩波电路设计(纯电阻负载)

目 录

第一章 绪 论 ............................................................................................ 2

1.1 电力电子技术的介绍 ..................................................................... 2

1.2 电力电子技术的应用 ..................................................................... 2

1.3 电力电子技术中的直流变化技术 .................................................... 3

第二章 系统总体方案及主电路设计 ........................................................... 3

2.1 设计题目 IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载） ........................ 3

2.2 系统的方案及其流程图 ............................................................ 3

2.3 主电路的设计 ............................................................................... 4

2.4 参数的计算 .................................................................................. 5

第三章 控制和驱动电路的设计 .................................................................. 7

3.1 控制电路设计 ................................................................................ 7

3.1.1 控制电路方案选择 ............................................................... 7

3.1.2 SG3525的工作原理 ........................................................... 9

3.2 驱动电路设计 ............................................................................... 9

3.3 保护电路设计 ............................................................................. 10

第四章 系统仿真与分析 .......................................................................... 11

4.1 仿真软件Matlab简介 ............................................................... 11

4.2 仿真模型的建立 ......................................................................... 11

4.3 系统仿真结果及分析 .................................................................... 13

4.3.1 仿真结果 .......................................................................... 13

4.3.2 仿真结果分析 .................................................................... 13

致 谢 ...................................................................................................... 15

参考文献 ............................................................................................. 16

第一章 绪 论

1.1 电力电子技术的介绍

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力换。 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学

（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。

1.2 电力电子技术的应用

电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机

车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。

1.3 电力电子技术中的直流变化技术

直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。

第二章 系统总体方案及主电路设计

2.1 设计题目 IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载） 设计要求 1. 输入直流电压：Ud =50v

2. 输出功率：300w

3. 开关频率：5KHZ

4. 占空比：10%~ 50%

5.输出电压脉率：

2.2 系统的方案及其流程图

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电

子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的升压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。直流斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分成。主电路模块，主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。控制电路模块，可直接用产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。驱动电路模块，驱动电路把控制信号转换为电压信号加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。

系统总体流程图如图2-1

图2-1 系统总体流程图

2.3 主电路的设计

升压斩波电路工作原理图及其波形图2-2所示

图2-2 升压斩波电路工作原理图及其波形图

2.4 参数的计算

根据设计要求，我选择大小为50v的直流电压源，选取升压斩波电路的占空比为30%。因此，输出电压Uo=71.4v，输出功率P0=Uo2/R。又因为要求输出功率为300W，可计算出负载电阻为17Ω。电压控制电压源和脉冲电压源可组成功率开关的驱动电路。在控制开关开通期间ton，电流从电源正极流出，经过电感从开关流回电源负极。电容C向R供电，输出电压Uo上正下负。电源电压Ui全部加到电感两端Ui=UL，在该电压作用下，电感电流iL线性增长。在导通之间内，电感电流增量为：

在控制开关关断期间toff，iL经二极管流出，电感电压极性将变成左负右正，认为电感很大，iL不变。这样，电源和电感同时给电容C和负载R供电，负载两端电压仍是上正下负。电感电压UL=Ui –Uo

当电路工作在稳态时，电感电流iL波形必然周期性重复，开关导通期间电感电流iL的增量等于开关断开时电感电流iL的减少量，即△iL+=△iL-，联立（2-1）（2-2）式可得输出电压：

由上式可知，α是一个小于1的数，故输出电压比输入电压大。 从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（UiIton）与开关关断期间释放的能量（(Uo- Ui)Itoff）相等。列出等式：

解得

下面确定电流连续的临界条件：

如果在T时刻电感电流iL刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时△iL =2iL，升压斩波电路的输入输出功率分别为：

Pi= Ui IL 、P0=Uo Io 忽略损耗，有Pi= P0，于是

联立式（2-1）（2-4）（2-5）得临界电感值为

确定电容的计算 ：

电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的能量相等，△Q=IoαT 则电压变化量

△Uo可决定脉动率。

计算Lc：由式（2-7 ）知Lc=(R/2)α(1-α)2T ，周期T可由开关频率

5KHz得出T=2×10-4 s，因为这里占空比α的范围为10%~ 50%，这里取α

=30%。把Uo 、α、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4 H，当L>Lc时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直，可适当取较大的电感值。

计算C：由式（ 2-9）知C=(UoαT)/(R△Uo ) ，因为要求电压脉动率

第三章 控制和驱动电路的设计

3.1 控制电路设计

3.1.1 控制电路方案选择

控制电路主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，同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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）保持导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；

（3）导通时间和周期T都可调，使占空比改变，称为混合型。

其中第一种是最常用的方法。此次设计也采用PWM控制。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需的波形。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

本次设计中，控制电路以SG3525为核心构成。SG3525为美国Silicom

General 公司生产的专用PWM控制集成电路，它采用衡频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源，斩波器的控制。SG3525其内部包含精密精准源，锯齿波振荡器，误差放大器，比较器，分频器等，实现PWM控制所需的基本电路，并含有保护电路，其电路图如下图

:

图3 SG3525 电路图

3.1.2 SG3525的工作原理

SG3525的脚16 为基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器，同时振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端，该放大器是一个两级差分放大器。通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。通过调节R7，可在

OUTA、OUTB两端输出两个幅度相等，频率相等，相位相差180°，占空比可调的矩形波(即PWM信号)。

3.2 驱动电路设计

IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动

IGBT，因此需要外加驱动电路。驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲IGBT的驱动要求动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关断延时，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。其次能向 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。而且要具有栅压限幅电路，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。最后当 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。在本设计中，直接采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有电源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态。另外它使用比较方便，稳定性比较好。如图4所示，控制电路所输出的PWM信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推免电路进行放大，从而把输出的控制信号放大以驱动IGBT。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。

图4 驱动电路

3.3 保护电路设计

升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，如图5所示，均采用反馈控制，将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。

图5 电压和电流保护电路

第四章 系统仿真与分析

4.1 仿真软件Matlab简介

在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。MATLAB是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程 序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。本次课程设计仿真便是采用MATLAB，利用其面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行主电路的仿真与设计。

4.2 仿真模型的建立

IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图7所示。

图7 IGBT升压斩波电路

4.3 系统仿真结果及分析 4.3.1 仿真结果

4.3.2 仿真结果分析

1. 电压端输入大小为Ui=50v的直流电

2. 输出电压Uo

经 IGBT升压斩波后输出直流电压理论计算值Uo=71.4v，由上面的波形图可以看出实验值约为69.5v与理论值基本符合，误差为2.66% 3. I0和I1

4. U0和I0

由功率P0= U0×I0知，P0=69.5×4.27=296.765w，误差为1.08%。

致 谢

通过这一个星期的电力电子技术课程设计使我收获颇多。本课程设计中，我不仅对IGBT升压斩波电路从原理到实践上有了深刻的了解，更增强了我对电力电子技术这门课的了解。在此次电力电力技术课程设计中，我自学了MATLAB软件在电力电子技术上的应用，进一步增强了我的自学能力。同时，在本次设计过程中我也发现了自己许多方面的不足，对课上所学知识理解不够深刻，掌握得不够牢固。使得自己在课程设计中多走了许多弯路，但这也迫使我不断地努力学习。我相信自己在以后的学习和生活中能够取得更多的进步。使我对于学习和实践有了很深的感触，我深刻的认识到：作为一个大学生，动手能力和知识的掌握同样重要，只有两者兼备才能更好的应对学习及以后的工作。 在此次课程设计期间，首先要感谢的是我的指导老师翁志远老师。通过老师给我们讲述用相关的软件进行设计，并在设计中给予了相关的指导。以此课程设计为引，通过不断的理论知识学习和动手实践，我感觉自身的综合素质得到了很大程度上的提升，不仅让我们扩展了视野，更是对以前所学知识的一个综合检验。从这次课程设计中，我进一步巩固和深化了所学的理论知识，为后续专业课学习和毕业设计打下了坚实的基础，也为努力把自己塑造成为一个专业功底扎实、知识结构完善、适应能力强的合格大学生指明了方向。最后，还是要感谢老师的辛苦指导。

参考文献

[1］王兆安，刘进军.电力电子技术［Ｍ］.第5版.北京：机械工业出版社2009.123~126

[2］曲水印.电力电子变流技术［Ｍ］.北京：冶金工业出版社，2002.195~205 [3］王云亮.电力电子技术［Ｍ］.北京：电子工业出版社，2004.144~149 [4］洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2010.120~124

[5] 康华光 电子技术基础模拟电路部分（第五版） 高等教育出版社 [6] 康华光 电子技术基础数字电路部分（第五版） 高等教育出版社 [7] 张德丰 MATLAB工程应用仿真 清华大学出版社

[8] 朱桂萍 陈建业 电力电子电路的计算机仿真[M].清华大学出版社,2008