基于IGBT的降压斩波电路

1引言随着电力电子技术的高速开展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低本钱化使电源向轻、薄、小和高效率方向开展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到了广泛的应用。直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要。计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的开展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压控制法两类。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器构造强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻即可改变端电压，到达调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克制了晶闸管斩波器及GTR斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置，针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最根本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几千赫兹频率围，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。因此，在电力电子技术应用领域中有广阔的开展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率开展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的开展。本系统正是基于IGBT的直流斩波作为直流电机调速系统。2课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合电力电子所学知识，设计出对直流电机的调速系统，并在实践的根本技能方面进展一次系统的训练。能够较全面地稳固和应用电力电子课程中所学的根本理论和根本方法。应用场合：应用于电力机车和高速动车组,风力发电机调速等工业控制领域。系统功能介绍：IGBT降压斩波电路,可通过IGBT的通断，控制电机两端电压的变化，从而到达直流调速的目的，系统具有过压过流保护电路。2.2系统组成总体构造直流斩波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。它在电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，本系统设计的是基于IGBT的降压斩波电路。系统电路主要分为三个局部，分别为主电路模块，触发电路模块和驱动电路模块,其次还需要整流电路和保护电路。系统整体框图如图2.1所示。触发电路触发电路驱动电路电源主电路整流电路保护电路图2.1系统整体框图3硬件设计3.1整流电路设计供应斩波的直流电是由交流电经整流后得到的，其匝数比经计算为1:0.75。整流桥后加大电容和大电感对电压和电流进展滤波。整流电路如图3.1所示。图3.1整流电路由任务要求可知要求供应斩波的直流电压为210V。触发电路的PWM调节围为10%--90%,当触发电路占空比为90%时输出电压最大为额定电压。触发器占空比90%时负载电压：QUOTEUR=210V整流桥输出电压:U1=210/0.9=233.33VQUOTE变压器二次侧电压有效值为：QUOTEU2=233/√2=164.76V变压器二次侧电流最大有效值为：QUOTEI2=1.2A变压器一次侧与二次侧匝数比：QUOTEN1:N2=1:0.753.2主电路设计主电路是整个斩波电路的核心，本系统设计的是降压斩波电路模块，通过降压斩波电路实现对电机两端电压调节，从而到达对电机调速的目的。主电路如图3.2所示。图3.2主电路如图3.2所示，IGBT在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流QUOTE流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。而IGBT截止时，电感L开场放电为负载供电，二极管VD导通，形成回路。IGBT以这种方式不断重复开通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。降压斩波的典型波形如图3.3所示。图3.3降压斩波波形图图3.2中的负载为电动机，是一种放电动式负载。反电动势负载有电流连续和电流断续两种工作状态。分别入图3.3中a〕和b〕所示。无论哪一种情况，输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：〔3-1〕TON表示导通的时间；QUOTETOFF表示截止的时间；α表示导通时间占空比。对于输出电流，当QUOTEU0>E时，电流连续,输出电流平均值大小为：〔3-2〕QUOTE当U0<E时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。于是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。3.3触发电路设计触发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到达控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：保持开关周期T不变，调节开关导通时间TONQUOTE，称为脉冲宽度调制；保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制；3〕导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。因为斩波电路有三种控制方式，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展调制的技术。这种电路改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲等幅，仅是对脉冲的占空比进展控制。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。因为要求输出电压连续可调，所以本设计选用一般的PWM发生芯片来进展连续控制。对于PWM发生芯片，本设计选用了SiliconGeneral公司的SG3525芯片，其引脚图如图3.4所示。图3.4SG3525触发芯片SG3525是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒定频率宽度调制控制方案，部包括精细基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比拟器、分频器和保护电路等。其11和14脚输出两个等频率等幅、相位互补、占空比可调的PWM信号。其6和脚7有一个双门限比拟器，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。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片部误差放大器的反相输入端和同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态和静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反应补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。本设计所用触发电路如图3.5所示。图3.5SG3525触发电路由于SG3525的振荡频率可表示为：式中：Ct，Rt分别是与脚5和脚6相连的振荡器的电容和电阻，Rd是与脚7相连的放电端的电阻。根据任务要求需要频率为5.7kHz，所以由上式可取Ct=0.01μF,Rt=,Rd=5.。可得QUOTEf=5.7kHz，满足要求。3.4驱动电路设计驱动电路的作用是将芯片输出的脉冲进展功率放大，以驱动IGBT。对于保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用。对于驱动电路的设计要求，我们遵从以下四点：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+15V左右的正向栅射驱动电压比拟恰当，取-5V反向栅射驱动电压能让IGBT可靠截止。3〕具有栅射驱动电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为±20V,驱动信号超出此围可能破坏栅极。QUOTE4〕当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间通过逐渐降低栅射驱动电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。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择适宜的栅极电阻Rg和Rge。以及要有足够的输入输出电隔离能力，要能够保证输入输出信号无延时。经资料查找确定了本设计所用日本FUJI公司的E*B841芯片，它具有单电源，正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性。其功能比拟完善，在国的到了广泛应用。E*B841工作原理如图3.6所示。图3.6E*B841部原理图1〕正常开通过程：当E*B841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦合ISO1导通，A点电位迅速下降至0V，V1和V2截止。V2截止使D点电位上升至20V，V4导通，V5截止，E*B841通过V4及栅极电阻Rg向一个IGBT提供电流使之迅速导通。2〕正常关断过程：控制电路使E*B841输入端脚14和脚15无电流流过，光耦合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E*B841的脚3电位迅速下降至0V，使IGBT可靠关断。本设计E*B841驱动电路如图3.7所示。图3.7E*B841驱动电路本设计对驱动电路进展了优化：驱动电路中D11起保护作用，防止E*B841的6脚承受过压，通过D6检测是否过流，接D7的目的是为了改变E*B模块过流保护起控点，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。R11和C9及D10接在+20V电源上保证稳定的电压。D8和D9防止栅极和发射极出现电压，R12是防止IGBT误导通。3.5保护电路设计对于保护电路在触发电路和驱动电路上都有表达，SG3525和E*B841都集成了电流电压的保护电路。IGBT上也设计了对主器件的保护电路。在系统整流后也加熔断器进展过流保护。主器件IGBT的保护如图3.8所示。图3.8IGBT保护电路对于IGBT保护电路，当到达—定电压值时，自动开通保护电路，使过电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。为了到达保护效果，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局部过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。对于驱动电路还存在故障信号不稳定的问题，这些问题将伤害IGBT，所以在驱动电路上进展了改良。如图3.9所示。图3.9驱动故障封锁电路故障封锁电路：当IGBT正常工作时E*B841的5脚是高电平，此时光耦合6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C12不充电，NE555P的3脚输出高电平，输入信号被接到15脚，E*B841正常工作驱动IGBT。当E*B841检测到过流时E*B841的5脚变为低电平，于是光耦合导通使V1截止，+5V电压经R15和R16对C13充电,R15和R16总电阻为90K，C13为100pF，经过5QUOTEµs后NE55P的3脚输出为低电平，通过与门将输入信号封锁。因为，E*B841从检测到IGBT过流到对其软关断完毕要10µs，此电路延迟5µs工作是因为芯片检测到过流到E*B41的5脚信号为低电平需要5µs，这样经过NE55P定时器延时5µs，使IGBT软开关断后再停顿输入信号，防止立即停顿输入信号造成硬关断，伤害IGBT。总驱动电路如图3.10所示。图3.10总驱动电路4仿真设计4.1MATLAB仿真设计在电力电子设计过程中利用MATLAB来进展仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度围减少因设计问题而造成的浪费。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大局部。这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的Simulink工具。先从Simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进展仿真。在MATLAB软件中翻开Simulink窗口在Model里放置器件，本设计仿真的是降压斩波电路。所用到的Simulink元件有：直流电压源:DCVoltageSource脉冲发生器:PulseGenerator绝缘栅双极晶体管:IGBT二极管：DiodeRLC串联电路：SeriesRLCBranch电压测量模块：VoltageMeasurement电流测量模块：CurrentMeasurement示波器：Scope平均值测量模块：MeanValue数字显示器：Display输出端：Out元件参数的设定：直流电压源设定为整流电路输出电压210V。触发信号设定为触发电路输出信号1V，频率要求5.7KHZ，所以周期0.000175s。负载由额定电压和额定电流求得175。电感设定0.05H。反电动势设定20V。仿真电路如图4.1所示。图4.1仿真电路仿真电路做好后设定参数：仿真时间：0.08s算法：ode23s90%占空比、50%占空比、10%占空比仿真波形如图4.2和4.3及4.4所示。图4.290%PWM电路图4.350%PWM电路图4.410%PWM电路4.2MATLAB仿真分析对于仿真电路，我们可通过平均测量模块得到：90%PWM电压平均测量模块：188.1V90%PWM电流平均测量模块：0.9616A50%PWM电压平均测量模块：104.8V50%PWM电流平均测量模块：0.4843A10%PWM电压平均测量模块：22.94V10%PWM电流平均测量模块：0.0158A通过上述数据可知：在占空