基于IGBT直流斩波电源的设计

1、皖西学院2015届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目：基于IGBT直流斩波电源的设计学生姓名：李齐保学 号：2011011130所在学院：机械与电子工程学院专业班级：电气1104班届 别：2015届指导教师：俞鹤皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书1.本人郑重承诺：所提交的毕业设计（论文），题目 基于IGBT的直流斩波电源的设计是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源； 3. 毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术

2、观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 日期： 年 月 日211 绪论51.1课题的目的与意义51.2 斩波电路的发展前景52 设计原理分析62.1总体结构分析63 主电路的设计74控制电

3、路的设计104.1控制电路方案选择104.2 工作原理114.3 控制芯片介绍125驱动电路设计165.1 驱动电路方案选择165.2工作原理176 保护电路设计186.1 过压保护电路186.1.1 主电路器件保护187 心得体会21主要参考文献22附录-23致谢23基于IGBT直流斩波电源的设计学生：李齐保（ 指导老师：俞鹤）皖西学院机械与电子工程学院摘要：直流斩波电路的用途是将直流电变为另一不同稳定电压或可调电压的直流电。它在电源的设计上有很重要的应用。斩波电路一般要依靠全控型器件来实现其功能。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波电路。IGBT是一种新型的电力半导体场控制的一种自动

4、关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，它的特征有：输入阻抗高，控制功耗低，控制电路简单，承受电流大等。IGBT作为一种重要大功率电力电子主流器件之一，已经普遍用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等范畴。关键词：斩波电路 IGBT 控制电路 MOSFETIGBT DC Chopper BasedPpower Ssupply DesignStudent: Li Qi Bao ( Instructor : Yu He )(College of Mechanical and Electronic Engineering, West Anhui Univer

5、sity)Abstract: Use DC chopper circuit is changed to a different stable DC voltage or adjustable DC voltage. It has very important applications in the power of design. Chopper generally rely on full-controlled device to perform its function. Here I design is based on the step-down chopper circuit IGB

6、T. IGBT is a new type of power semiconductor field control of an automatic shut-off device, set the power MOSFET high-speed performance with low resistance bipolar devices in one, its features are: high input impedance, low control power, control simple circuit withstand current and large. IGBT as a

7、n important mainstream high-power electronic devices, has been widely used in household appliances, transportation, power engineering, renewable energy and smart grid category.Keywords: Chopper IGBT control circuit MOSFET1 绪论1.1课题的目的与意义随着电力电子技术的不断发展，电子系统的应用已经很普遍。电子设备的小型化和价钱低使轻，薄，小和高效率是一些电源的特点。从而使轻而小

8、，效率又高的开关电源普遍的用于各样的电子设备中。由于我们对开关电源的更进一步的进级，低电压，大电流和高效率必将成为开关电源的发展方向。 开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换可以解释为将一个固定的直流电压经过改变成为一个可以变化的直流电压，也就是所谓的直流斩波。斩波电路可以应用于一些电子电路的供电电源，也可以带动直流电动机等。 IGBT降压斩波电路便是直流斩波中最常见的一种电路，电路是用IGBT作为全控型器件的，主要用于直流到直流之间的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。同时具有MOSFET易驱动的特点，也具有功率晶体管电压、电流容量大等

9、特点。其工作频率在MOSFET与功率晶体管之间，在几十千赫兹频率范围内可正常工作于，所以在较高频率的大、中功率应用中占有了主导地位。 直流斩波降压电路正是因为有易驱动，电压、电流容量大等特点，因此在电力电子技术应用的范畴中有广阔的发展前景。1.2 斩波电路的发展前景斩波电路应用的传统范畴是直流传动，而应用的新领域，前者的应用是逐渐萎缩则是开关电源，而后者的应用旭日中天、欣欣向荣。直流斩波电路的应用十分普遍，可以应用在直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正等范畴。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容

10、易产生干扰。当今天下软开关技术使得DC/DC变换器发生了革命性的变化。美国一公司研发并制造出多种ECI软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（8090）%。2 设计原理分析2.1总体结构分析直流斩波电路的用途是将一直流电变成另一不同稳定的电压或可调电压的直流电。它在电源的设计上有很重要的作用。总的来说，斩波电路的实现一般要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波电路。直流降压斩波电路由三个模块构成，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2-1所示。图2-1电路结构

11、框图在图2-1电路结构框图中。控制电路的作用是产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号再传送到驱动电路，驱动电路的作用是把控制信号转换为可以加在开关控制两端，使其关断或开通的信号。通过控制IGBT的关断和开通从而来控制降压斩波电路的主电路工作。2.2电路设计要求1、输入直流电压 100V2、开关频率40KHz3、输出电压范围 50V-80V3 主电路的设计3.1 电路原理分析主电路模块是整个电路的重中之重，降压过程就靠此模块完成。其原理图如图3-1所示图3-1降压斩波电路原理图该电路图使用一个全控型器件IGBT，也可以使用其他器件，采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。图3-1中，

12、为在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，也可拖动直流电机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中的Em所示。若负载中无反电动势，只需令Em=0，以下的分析及表达式均可适用。 当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为(1) 为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期

13、；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比，则Uo随之减小。故称该电路为降压斩波电路。直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3-2所示：图3-2降压电路波形图3.2参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：(1)电源 要求输入电压为100V。(2)电阻 因为当输出电压为50-80V时，假设输出电流为0.1-5A。所以由欧姆定律(2)可得负

14、载电阻值为，所以取电阻20欧姆。(3)IGBT 由图3易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流=，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。(4)二极管 其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于5A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。(5)电感 由上面所选的电阻20欧姆，根据欧姆定律： (3)当Uo=80V时，Iomax=4A;当Uo=50V时，Iomin=2.5A;根据电感电流连续时电感量临界值条件：(4)为了保证负载最小电流电路能够连续，取Io=2.5A来算，可得L

15、=0.125mH，所以只要所取电感L>0.125mH ，取L=1mH。（6）开关频率 f=40kHz（7）电容 设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：(5) 可得 LC >= 0.195 uH*F 取C=0.47mF 4控制电路的设计4.1控制电路方案选择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，

16、称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。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输出电压。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要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。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制

17、。对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，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 4.2 工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ：(6)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。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01F, = ,=。可得f=40kHz，满足要求。图4-1 控制电路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

18、过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图4.2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50-80

19、V范围。4.3 控制芯片介绍本控制电路是以SG3525 为核心构成,SG3525 为美国Silicon General 公司生产的专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图4.3所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差, 占空比可调的矩形波(即PWM信号).然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。 图4-2 SG3525A 芯片的内部结构1）基准电压调

20、整器基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。（2）振荡器3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为：(7) 在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。(3)误差放大器误

21、差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在1.8-3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。(4)闭锁控制端10利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。(5

22、)有软起动电路比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。该电容由内部Vref的50A恒流源充电。达到2.5V所经的时间为:(7)占空比由小到大（50）变化。(6)增加PWM锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)增设欠压锁定电路电路

23、主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。(8)输出级由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。使用时VC接一个0.1f电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电

24、流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。5驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择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气隔离的部分。该驱动部分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

25、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。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，

26、较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。由于我

27、所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。5.2工作原理如图5.2所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是TLP521-1。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5-1 驱动电路原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信

28、号放大。6 保护电路设计6.1 过压保护电路过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。6.1.1 主电路器件保护当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1.1

29、所示。图6-1 RC阻容过电压保护电路图6.1.2 负载过压保护如图6.1.1所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，

30、R18=4K，R17=10k，R19=2k。 图 6-2 负载过压保护6.2 过流保护电路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。如图1 在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种方法如图6.2所示，也是利用控制电路芯片的第10端。在主电路的负

31、载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。 图6-3 过流保护电路7 心得体会 这次的设计是我收获比较大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但在余鹤老师的指导，问题被我基本上解决了。做设计

32、比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要一定的耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。 当然每次的设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们的指导以及平时灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成设计。主要参考文献：1王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，1997. 2刘凤