基于IGBT升压斩波电路设计

1、 I摘 要直流变直流是电力电子技术中变流技术的重要部分，广泛应用于电子领域。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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本课程设计就是其中的一种斩波电路，即升压斩波电路。本课程设计采用IGBT全控型器件，采用专用PWM控制集成电路SG3525进行驱动，并利用MATLAB的Power System工具箱进行主电路的仿真实验，满足了设计要求，是一次比较成功的设计。关键词 直流变直流；升压斩波电路；IGBT；SG3525目 录 TOC o 1-3 h

2、 z u HYPERLINK l _Toc356763263 1设计任务与功能要求 PAGEREF _Toc356763263 h 1 HYPERLINK l _Toc356763264 1.1设计总体要求 PAGEREF _Toc356763264 h 1 HYPERLINK l _Toc356763265 1.2设计课题任务及要求 PAGEREF _Toc356763265 h 1 HYPERLINK l _Toc356763266 1.3设计方案与总体框图 PAGEREF _Toc356763266 h 1 HYPERLINK l _Toc356763267 2主电路设计 PAGEREF

3、 _Toc356763267 h 2 HYPERLINK l _Toc356763269 2.1工作原理 PAGEREF _Toc356763269 h 2 HYPERLINK l _Toc356763270 2.2参数的计算 PAGEREF _Toc356763270 h 4 HYPERLINK l _Toc356763271 3控制和驱动电路的设计 PAGEREF _Toc356763271 h 6 HYPERLINK l _Toc356763273 3.1控制电路设计 PAGEREF _Toc356763273 h 6 HYPERLINK l _Toc356763276 3.2驱动电路设

4、计 PAGEREF _Toc356763276 h 7 HYPERLINK l _Toc356763277 3.3保护电路设计 PAGEREF _Toc356763277 h 8 HYPERLINK l _Toc356763278 3.4总电路 PAGEREF _Toc356763278 h 9 HYPERLINK l _Toc356763279 4系统仿真与分析 PAGEREF _Toc356763279 h 10 HYPERLINK l _Toc356763281 4.1仿真软件Matlab简介 PAGEREF _Toc356763281 h 10 HYPERLINK l _Toc3567

5、63282 4.2仿真模型的建立 PAGEREF _Toc356763282 h 10 HYPERLINK l _Toc356763283 4.3系统仿真结果及分析 PAGEREF _Toc356763283 h 12 HYPERLINK l _Toc356763284 结束语 PAGEREF _Toc356763284 h 13 HYPERLINK l _Toc356763285 致 谢 PAGEREF _Toc356763285 h 14 HYPERLINK l _Toc356763286 参考文献 PAGEREF _Toc356763286 h 15 设计任务与功能要求设计总体要求（1）

6、熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。（4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。（5）广泛收集相关技术资料。（6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。（7）按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。（8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。设计课题任务及要求设计一个IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载），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：小于

7、10%。设计方案与总体框图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组成。其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压Uo的大小。控制与驱动电路模块：用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT的开通与关断。电路模块：驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。驱动电路模块：控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。系统总体流程图如图1所示。图1 系统总体流程图

8、主电路设计直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压斩波电路，又叫Boost变换器，其原理图及工作波形如图2所示图2 升压斩波电路原理及其工作波形图工作原理在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通时电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。

9、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上积蓄的能量为EIlton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E) Iltoff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即EIlton=(Uo-E) Iltoff (1)化简得 Uo=ton+tofftoffE=TtoffE(2)式中，T/toff1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。又称boost变换器（Boost Converter）。式（2）中T/toff表示升压比，调

10、节其大小，即可改变输出电压U0的大小。将升压比的倒数记作，即= toffT。则和占空比有如下关系+=1(3)因此，式（2）可表示为：Uo=1E=11E (4)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:一是电感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，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4）所得结果。不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即EIl=UoIo(5)该式

11、表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。根据电路结构并结合式（4）得出输出电流的平均值Io为Io=UoR=1 ER (6)由式（5）即可得出电源电流Il为Il=UoEIo=12 ER(7)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。此时电感电流平均值为Il=12il,max=12 ELton=TUo2L(1) (8)又由式（4）和式（5）可得IoIl=1(9)联立式（8）、（9）可得，在临界状态下的电感值为L=TUo2Io12(10)当时LL时，升压斩波电路工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的

12、电荷相等，即Q=IoT(11)则电压变化量Uo=QC=IoTC(12)所以电容值为C=IoTUo(13)滤波电容越大，输出电压越平直。参数的计算（1）输出电压Uo、负载电阻R、输出电流Io根据设计要求，可取输入直流电压E=50V，输出功率Po=300W，占空比=0.5。因此，由式（4）得输出电压Uo=11E=110.550V=100V(14)负载电阻为R=Uo2Po=1002300=33.33，取标称值R=32。由（6）式可得输出电流为 Io=UoR=10033A=3A由（7）式可得电源电流为 Il=UoEIo=100503A=6A（2）电感L、电容C要求开关频率 fs=5KHz，所以开关周期

13、T=1fs=2104s。由式（10）可得在临界状态下的电感值为 L=TUo2Io12 =2104100230.510.52=4.167104H为使升压斩波电路工作在连续状态下，取L=5104H。确定电容的计算要求输出电压脉率小于10%，取5%，则Uo=Uo5%=5V。代入式（13）可得 C=IoTUo=30.521045=6105F为使输出电压较平直，取电容值C=6.413105F。（3）IGBT 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50V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为3A。故需选择集电极最大连续电流Ic=6A，反向击穿电压Bvceo=100V的IGB

14、T，而一般的IGBT都满足要求。(4) 续流二极管 其承受最大反压50V，其承受最大电流趋近于10A，考虑2倍裕量，故需选择UN200V，IN10A的二极管。控制和驱动电路的设计控制电路设计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，斩波电路可有三种控制方式：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（PWM）或脉冲调宽型；2）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；3）ton和T都可调，使占空比改变，称为混

15、合型。其中，又以第1种应用最多，故本设计中也采用PWM控制。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。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。升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件，其栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使IGBT开通的栅射极间的驱动电压一般取1520V。同样，

16、关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡，改电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。本设计中，控制电路以SG3525为核心构成。SG3525为美国Silicon 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其内部包含精密基准源、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。其电路图如图3所示图3 SG3525 电路图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.

17、11）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)。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

18、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

19、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，对外送出过流信号。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，再经过推挽电路进行放大，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

20、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总电路如图6所示。220V的交流电经变压器变压后输入到由D9、D10、D11、D12四个整流二极管组成的整流电路输入端 。经整流后电压含有较大的纹波，故通过L3、C4组成的LC低通滤波器进行滤波。滤波后输出的电压就比较平滑了。接下来就是由电感L4、斩波器件IGBT、电力二极管D14、电容C6组成的升压斩波电路。通过调节滑动电阻器R6改变驱动信号PWM的占空比就可以调节输出到负载R5两端电压。图6 总电路图系统仿真与分析仿真软件Mat

21、lab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。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、

22、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升压斩波电路仿真模型连线图各元件的参数设置如下各图所示： 图8 直流电压元件E的参数设置 图9 电感值参数设置 图10 电容元件C的参数设置 图11 电阻元件的参数设置 图12 触发脉冲元件的参数设置 图13 续流二极管VD元件的参数设置 图14 IGBT元件的参数设置图 图15 Multimeter元件的参数设置图系统仿真结果及分析打开仿真/参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-4，开始仿真时间为0，结束仿真时间为0.02，仿真结果如下图所示图16 IGBT升压斩波电路的仿真波形仿真结果分析由图4-1中万用表的显示及图4-9的仿真波形图可知仿真输出电压Uo=100V，输出电流Io=3A,输出功率Po=UoIo=1003=300W,满足设计要求。结束语此次的电力电子技术课程设计使我收获颇多。通过本课程设计，不仅是我对于IGBT升压斩波电路从原理到实现上有了深刻的了解，更增