IGBT降压斩波电路设计纯电阻负载

摘要直流—直流交流电路的功能是将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变成另一固定或可调电压的直流电，一样是指直接将直流电变成另一直流电，这种情形下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路在直流交流电路中增加了交流环节，通常采纳变压器实现输入输出间的隔离。本次设计将针对斩波电路实现变流。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各类用电设备中取得一般的应用.随之显现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、起落压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被普遍用于开关电源及直流电动机驱动中，使其操纵取得加速平稳、快速响应、节约电能的成效。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域取得了普遍的应用。 直流斩波电路种类包括六种大体斩波电路，本次设计将利用降压斩波电路（BuckChopper）。关键词：直流斩波；降压斩波；IGBT目录TOC\o"1-3"\h\u摘要…………………Ⅰ第一章整体设计方案………………1设计任务…………………1功能要求说明………………1设计方案及设计原理………1设计总电路…………1设计电路原理………1第二章电路设计…………………4降压斩波主电路设计………4电路数学分析………4参数确信……………5IGBT驱动电路设计………6整流电路设计……………6整流电路选取………6整流电路分析………7第三章系统仿真及结果分析………8仿真软件简介………………8仿真电路及参数设置………8仿真结果及分析…………11终止语………………14参考文献……………15附录总电路图……………………16 电路整体设计方案设计任务 IGBT降压斩波电路设计（纯电阻负载）。功能要求说明一、输入直流电压：Ud=100V；二、输出功率：300W；3、开关频率5KHz；4、占空比10%~90%；五、输出电压脉率：小于10%。设计方案及设计原理设计总电路确信降压斩波器电路如图所示：图降压斩波（buck）电路原理图此电路利用一个全控型器件T，图中为IGBT。并设置了续流二极管D，在T关断时给负载中电感电流提供通道。这种电路的电压源性质，负载为电源性质。电路完成把直流电压转换为较低的直流电压的功能。设计原理为了分析稳态特性，简化推导，对图做如下假设：（1）IBGT二极管是理想元件，即能够刹时导通或截止，没有导通压降（导通时电阻为0），截止时没有漏电流。（2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。（3）输出电压中的纹压与输出电压的比值很小，能够忽略。那么buck电路将有两种工作状态： （1）当IGBT导通如图（a）所示，电源向负载供电，续流二极管因反向偏置而截止，电容开始充电，直流通过电感L向负载传递能量。现在，电感电流线性增加，贮存的磁场能量也慢慢增加。负载R流过电流，两头输出电压上正下负。在一个开关周期内IGBT管T导通时刻为。（2）当IGBT阻断如图（b）所示，由于电感电流不能突变，故通过二极管D续流。电感电流慢慢减小，电感上的能量慢慢消耗在负载上，电感电流降低，L上储能减小。电感电流减小时，电感两头的电压改变极性，二极管D经受正向偏压而导通，组成续流通路，负载电压仍然是上正下负。当电感电流小于负载电流时，电容处于放电状态，以维持和不变。在一个开关周期内IGBT管T断开时刻为-。 图Buck电路电感电流持续的工作状态概念IGBT管的导通时刻与开关周期的比值为占空比，用表示依照上面的分析，绘出输入输出电压波形如图所示。Buck电路持续工作模式那么由波形可知，Buck电路能够实现直流输入、降压直流输出。第二章电路的设计降压斩波主电路设计 降压斩波主电路如图中除电源与触发电路后的部份。电路数学分析 主开关导通时，Buck电路工作于图（a）的状态。电源电压通过T加到二极管D的两头，二极管D反向截止。电流过电感，稳态时输入输出电压维持不变，那么电感两头电压的极性为左正、右负，忽略管压降有.由于储能电感的时刻常数远大于开关周期，因此在该电路电压的作用下输出滤波电感中的电流可近似以为是线性增加，直到时刻，达到最大值.电感电流线性上升的增量为：（2-1-1）当主开关管截止时，Buck电路工作在（b）的状态。电感两头的电压极性为左负、右正，二极管导通续流，忽略管压降有，一样能够以为电感中电流可近似以为是线性下降，下降量绝对值为：（2-1-2）当电路工作在稳态时，电感波形必然周期重复，开关管T导通期间电感中的电流增加量等于其截止时电感中的减少量，即（2-1-3）联合式（2-1-1）和（2-1-3）可得：（2-1-4）由式（2-1-4）可知，改变输出电压的方法既能够调整输入电压，也能够改变占空比。在输入电压必然的情形下，改变占空比那么可操纵输出平均电压。输出平均电压老是小于输入电压。持续导通模式下Buck电路的电压增益M为（2-1-5）参数确信当电感较小、负载电阻较大，那么负载电路的时刻常数较小，或当开关周期较大时，将显现电感电流已下降到0，但新的周期却没有开始的情形，即显现了电感电流断续。若是在时刻电感电流恰好降到零，那么为电感电流持续的临界状态，如图。现在负载电流和间的关系为图电路电感电流处于临界状态（2-1-6）其中（2-1-7）联合式（2-1-2）、式（2-1-6）和式（2-1-7）用下标C表示临界参数值，那么（2-1-8）式中为输出功率（W），。通过电容的电流对电容充电产生的电压，与参数的关系表达式为：(2-1-9）那么依照要求的和其他参数可求得电路的电容：（2-1-10）依照设计要求，开关频率为5KHz（Ts=1/5000），输入电压为直流100V,选择负载电阻为20Ω，确信占空比为Dc=25%。依照式（2-1-8）选择电感那个值是电感电流持续与否的临界值，要保证电感电流持续，实际电感值可选倍临界电感，可选。依照式（2-1-10）选择电容：输出脉率要小于10%，选为2%，那么有IGBT驱动电路设计本设计以ICL8038为核心，实现占空比可变电压信号的输出以触发IGBT。ICL8038是一种具有多种波形输出的周密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能够产生从～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还能够由电流或电阻操纵。另外由于该芯片具有调频信号输入端,因此能够用来对低频信号进行频率调制。 ICL8038的引脚图如下图。图ICL8038引脚图方波信号由函数发生器ICL8038产生的原理图如下图图ICL8038用于方波波信号发生整流电路设计整流电路选取本设计采纳桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.对整流出来的电压进行傅里叶变换得:（2-3-1）由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采纳RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本电路要求有稳固的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压。整流电路的原理图如下图：图整流电路图整流电路分析如下图，输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为1）后输出100V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压一样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感能够提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容能够滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，能够取得比较理想的直流电压（幅值为100V左右）。第三章系统仿真及结果分析仿真软件简介 这次仿真利用的是MATLAB软件。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写方程，而只需通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被普遍应用于线性系统、非线性系统、数字操纵及数字信号处置的建模和仿真中。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个成立模型方块图的图形用户接口（GUI）,那个创建进程只需单击和拖动鼠标操作就能够完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户能够当即看到系统的仿真结果。仿真电路及参数设置 仿真电路如图。 具体参数设置如下：（1）直流电压值为100V，设置如下图。图电压参数设置图降压斩波的MATLAB电路的模型（2）电阻R值设为20Ω，如下图。图电阻参数设置（3）电感L值设为，如下图。图电感参数设置（4）电容C值设为1e-3F，如下图。图电容参数设置（5）开关频率要求5KHz，设置周期为2e-4s，依次调剂占空比，如图所示。图周期及占空比参数设置（6）设置示波器的显示时刻范围为，如下图。图示波器显示范围参数设置仿真结果及分析调剂触发信号，使IGBT的开关频率为5KHz、触发信号电压占空比为=25%，通过示波器观看参数IGBT门极触发脉冲Ug、IGBT电流IT、二极管电流ID、电感电压UL、电感电流IL波形，如图。 图占空比Dc=25%各测量参数波形 调剂触发电路，输出不同占空比的矩形波信号，并别离测触发波形和输出电压波形，如图~。 图占空比Dc=40%触发信号与输出信号 图占空比Dc=60%触发信号与输出信号 图占空比D=80%触发信号与输出信号 图占空比D=99%触发信号与输出信号 图从上到下的波形依次为IGBT门极触发脉冲Ug、IGBT电流IT、二极管电流ID、电感电压UL、电感电流IL。电感电流持续，波形与图的理论波形规律一致。 由公式，，可得： 当=，理论值=25V，仿真值=。相对误差%； 当=，理论值=40V，仿真值=。相对误差%； 当=，理论值=60V，仿真值=。相对误差%； 当=，理论值=80V，仿真值=。相对误差%； 当=，理论值=99V，仿真值=。相对误差%。 仿真所得数据与理论值相对误差符合设计要求。终止语 通过几天的尽力我终于顺利完成了这次电力电子的课程设计，在那个进程中碰到了许多困难但通过解决困难也学到了很多知识。 第一，一开始着手设计时对电路的选择比较茫然，不明白如何下手。通过熟悉教材相关章节和在线搜索相关知识，使问题取得了解决。然后，在确信好设计电路后，计算元器件参数时由于缺乏理论基础不明白如何计算相应参数。在熟悉了电路原理和电路各点电压或电流参量的推导后问题也取得解决 后来在进行MATLAB仿真时由于对软件不熟悉，碰到了很多操作上的问题，而且对元器件库不了解，致使花费了很多时刻才达到预期的成效。只是通过自己不断的试探此刻对Simu