IGBT升压斩波电路的设计2解读

1、1设计要求与方案1.1设计要求利用IGBT设计一个升压斩波电路。输入直流电压Ud =50V输出功率P=300W, 开关频率为5KHz占空比10雅V50%输出电压脉率小于10%1.2设计方案根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1所示。图1在图1结构框图中，控制电路用来产生IGBT升压斩波电路的控制信号，控制 电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端 与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制 IGBT升压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路， 防止电路产生过 电流、过电压现象而损坏电路设备。2

2、22升压斩波电路设计方案2.1升压斩波主电路电路工作原理原理图本设计为直流升压斩波(boost choppe)电路，该电路是本系统的核心。应 为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高,开关时间小的大功率IGBT管。在IGBT关断时给负载中电感电流提供通道，设 置了续流二极管VD。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。原理图如下图1所示:图1主电路仿真图左边E为输入直流50V电压，右边为Ub斩波电压输出。Ig为SG3525输出的PWM斩波信号。V为IGBT，VD为电力二极管，L为电感，C为电容，R为负载。原理分析：首先假设电感L值

3、很大，电容C值也很大。当Ig为高电平时，V 导通，50V电源向L充电，充电基本恒定为 ，同时电容C上的电压向负载R供 电，因C值很大，基本保持输出电压Uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间 为ton，此阶段电感L上积储的能量为Ehton。当V处于段态时E和L共同向电容 C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为to，则在此期间电感L 释放的能量为(U。-E)ltoff。当电路工作于稳态时，一个周期 T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即化简得El,on 二（U。活儿切 （2-1）U0=tn tff e = T etofftcff(2-2)上式中的T/Gf _1，输出电压高于电源电压

4、其大小即可改变输出电压Uo的大小。Tt 升压比，调节其即可改变 和导通占空比，有如下关系：. -1因此，式（2-2）可表示为：1Uo =阮式（2-1 ）中T/toff为升压比,调节offUo。将升压比的倒数记作B，即(2-3)E1 -：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:(2-4)日疋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

5、略。2.2触发电路的设计电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不 外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采 用直接产生PWM的专用芯片SG3525该芯片的外围电路只需简单的连接几个电 阻电容，就能产生特定频率的 PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出 PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现 PWM控制。为了提高安 全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当 不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之 后才送至驱动电路。其电路图如下图 2所示：U

6、115710k1 19VREFvccesc ourVCSYNCRTDISCJTACTOUTBCMPENIN*INssGNDSD1311FC?Diode 1N41Lm48Diode 1N4148图2 PWM触发电路工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。此时形成脉冲信号，再将脉冲信号通过 SG3525AN的OUTA、OUTB端 输出整流，送到光电耦合器去将信号放大。2.3触发脉冲的放大脉冲的放大电路如图3所示。脉冲信号经过光电耦合器 U2隔离输出，最后 经过Q2放大输出到IGBT的门极gU2乂 E44HE V-G sol Jorl C45HS图3脉冲放

7、大电路工作原理:其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，通过PWM触发电路调节 R7 可以改变占空比。输出的 PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2， 光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。2.4驱动电路设计2.4.1驱动电路原理图IGBT是电力电子器件，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

8、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。这里，我是使用了

9、 EXB841集成电路作为IGBT的驱动电路。EXB841芯片 具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型 的驱动电路。当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时，光祸ISO1导通， A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通， V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向一个IGBT提供电流使之迅速导通。控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕ISO1不通，A 点电位上升使V1和V2导通;V2导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过 V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至

10、0V（相对于EXB841脚1低5 V），使IGBT可靠关断。设IGBT已正常导通，则 V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点 电位稳定在8V左右，Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20 V，二极管 VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，Uce上升很多，二极 管VD7截止，则EXB841的脚6悬空” ,B点和C点电位开始由8V上升;当上升 至13V时，VZ被击穿，V3导通，C4通过R,和V3放电，E点电位逐步下降， 二极管VU6导通时D点电位也逐步下降，使EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。对于EXB841它本身存在一些不足之处。例如过流保护阈值过

11、高，保护存 在盲区，软关断保护不可靠，负偏压不足，过流保护五自锁功能等。为此，对驱 动电路进行了一些优化，还增加了故障信号封锁电路。这些主要都是为了加强对 电路的保护，属于保护电路的范畴。驱动电路原理图如图4所示。图4驱动电路原理图242驱动保护电路分析保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。下面便来做 具体分析。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莫块过流保护起控点，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

12、避免栅极和射极出现过电压，电阻Rge是防止IGBT 误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图 4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。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（

13、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4下半部分所示为3故障信号的封锁电路。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，NE555P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9OK0C6为100pF, 经过5 us后NE555P勺3脚输出为低电平，通过与门将输人信号封锁。因为EXB84 从检测到IGBT过电流到对其软

14、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 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。3参数计算、电路设计及波形分析3.1 参数选择和计算根据设计要求，我选择选大小为 50V的直流电压源，选取升压斩波电路的U2占空比为10%-50%因此，输出电压55-100V，输出功率巳=比。又因为要求输R出功率为300W，可计算出负载电阻。电压控制电压源和脉冲电压源可组成IGBT 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

15、负极。电容C向R供电，输出电压U。上正下负。电源电压U全部加到电感两端Ul -Ui，在该电压作用下，电感电流 线性增长。在导通之间内，电感电流增量为： iL+/on%t=bton=PT0 LLL在控制开关关断期间to ， 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， 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 10 4-56 X10550%10033-43.75 10-41.0 103.2仿真电路设计用Multisim 软件画出电路图如下:在对应的元器件上修改参数，完成参数的设置。对于在不同的占空比时，其 他参数也不

16、一样，修改的方式都有一样。完成参数的设置，就可以开始仿真。根 据电路运行过程中产生的波形进行结果分析。3.3仿真结果占空比通过设置脉冲电压源参数来控制ipolar Voltage Source0.02msec0.2msec图6占空比调节图通过脉冲电压源实现产对IGBT的信号脉冲，实现电路在不同占空比下的开 关关断，以便得到升压的电压。以下是各占空比下的仿真结果：(1) 当占空比为a =10%寸，输入直流电压U=50V,得到输出直流电压Uo =55V 此时负载电阻为 R=10Q，将电感取值为4mH，电容取值为20uF,从示波器 上观察输出电压Uo大小及仿真结果如下：I 保存rh p 1i1ii

17、A： . -J. .1i1inii17-ALw 1i11iRi11仃- 1|T rT- f Ff1 1 F |11 p 1 1f -|r 呻h1iiiiniiii1iPiiiiii!ir1inI1pII*iiiiiI1i11h11i1i1lp；r -i T -r i9 i- 1J - r -|ii1i:iT1T2 “T2-T1时间L7-320 ms17.320 ms0.000 s遇道丄 55,154 V 55A54 V o.oao vExt.lfefegg通遣a 比例 50 V/Div时I司轴Scale: 10C us/Divx位置 0匝llj亟迈叵因JliS B比例 S V/Div融发 边沿

18、 电平lAcjfonfDcin0V标准自动图9图10由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为50V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择10%寸，得到的输出电压的平均值近似 55V。得到的输出功 率的平均值近似为300W这满足电路所需的要求。且从波形图中可以看出，输 出的电压电流波形的形状是一致的，这满足纯电阻的要求。并且波形是连续的， 符合理论要求。(2) 当占空比为a =30%寸，输入直流电压U=50V,得到输出直流电压Uo=78V。此时负载电阻为 R=20Q，将电感取值为4mH，电容取值为60uF,从示波器 上观察输出电压Uo大小及仿真结果如下：I-T1L* m可El Al$曲丈r2S

19、 B 2:00 iFfiiiS.1OHOIOO VL2.200 ms 口 .D口口 VT2-T1匸1.口口口壬 . Cl V时冋钿連心AbSchlepsT QQLJ-s/OlV匕匕例 1| 1LI V/Uiv匕匕网1sV/Giv迄H EH口时 0 UoV KT WOrr111 力nW 1 1 片/a 11 a/b 14匸 n o Uo= iiF ac If oII 3二 II - 1r图11图12T1.时间1S.2OO ms 二 * *is.zoo msT2-T1|0,000 s77,516 V GE V 0.000 V連這50.000 V SO JOOO VO. OOO V通适A通谥曰曲弓匚

20、曰 T1OO us/DivtLU SO V/Div匕匕例50 V/Div位養OY區雪OYOT | 力口程|伍皿）ME |G图13由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为50V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择30%寸，得到的输出电压的平均值近似 78V。得到的输出功 率的平均值近似为300W这满足电路所需的要求。且从波形图中可以看出，输 出的电压电流波形的形状是一致的，这满足纯电阻的要求。(3) 当占空比为a =50%寸，输入直流电压U=50V,得到输出直流电压U=100V。此时负载电阻为 R=3，将电感取值为4mH，电容取值为80uF，从示波器 上观察输出电压Uo大小及仿真结果如下：图

21、14idioiLl xml图15时问500 B 口QC* us 500 OOO us 0.000 f兮坪亠日坪? V日呼+S峙71 V .QDO V煙血_曰50*000 V50.000 Vo+ooo V时间斑三匚Q日：LCD us/Div連谨A匕匕歸 SO V/Div通谨B匕匕洌SO V/Div位宜oY位首Ov位宜O| WT | 力口我b/zx | A/B 1 2 口 H xacJ o lioc: Gn图16由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为 50V时，在纯电阻负载 情况下，占空比选择90%寸，得到的输出电压的平均值近似 100V。得到的输出 功率的平均值近似为300W这满足电路所需的要求。3.4仿真结果分析由仿真得到的波形可以看出在输入直流电压为 50V时，在纯电阻负载情况 下且不同占空比时，得到的输出电压的平均值都不一样。 但是得到的输出功率的 平均值都近似为300W，这点满足电路设计所需的要求。且从波形图中可以看出， 无论占空比有怎么变化，输出电压的波形的形状始终是一致的， 这满足纯电阻的 要求。并且波形是连续的，符合理论要求。由仿真图可以看得到，当占空比:=10%时，输出电压为54.5V ;当占空比 :=30%时，输出电压为77.4V;当占空比=50%时，输出电压