基于IGBT直流斩波电源的设计

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1绪论..............................................................31.1课题的目的与意义.............................................31.2斩波电路的发展前景..........................................32设计原理分析..................................................42.1总体结构分析.................................................43主电路的设计......................................................54控制电路的设计....................................................84.1控制电路方案选择.............................................84.2工作原理....................................................94.3控制芯片介绍...............................................105驱动电路设计.....................................................145.1驱动电路方案选择...........................................145.2工作原理....................................................156保护电路设计.....................................................166.1过压保护电路...............................................166.1.1主电路器件保护........................................167心得体会.........................................................19主要参考文献.......................................................20附录-..............................................................21致谢...............................................................22皖西学院2015届本科毕业设计（论文）1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MOSFET基于IGBT直流斩波电源的设计2IGBTDCChopperBasedPpowerSsupplyDesignStudent:LiQiBao(Instructor:YuHe)(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,WestAnhuiUniversity)Abstract:UseDCchoppercircuitischangedtoadifferentstableDCvoltageoradjustableDCvoltage.Ithasveryimportantapplicationsinthepowerofdesign.Choppergenerallyrelyonfull-controlleddevicetoperformitsfunction.HereIdesignisbasedonthestep-downchoppercircuitIGBT.IGBTisanewtypeofpowersemiconductorfieldcontrolofanautomaticshut-offdevice,setthepowerMOSFEThigh-speedperformancewithlowresistancebipolardevicesinone,itsfeaturesare:highinputimpedance,lowcontrolpower,controlsimplecircuitwithstandcurrentandlarge.IGBTasanimportantmainstreamhigh-powerelectronicdevices,hasbeenwidelyusedinhouseholdappliances,transportation,powerengineering,renewableenergyandsmartgridcategory.Keywords:ChopperIGBTcontrolcircuitMOSFET皖西学院2015届本科毕业设计（论文）31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，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（80—90）%。基于IGBT直流斩波电源的设计42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-80V皖西学院2015届本科毕业设计（论文）53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，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1tt时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压0u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0onononoffttUEEaEttT(1)基于IGBT直流斩波电源的设计6ont为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比α，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0u=E，负载电流0i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00URI(2)可得负载电阻值为80010，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皖西学院2015届本科毕业设计（论文）7流cI=A10，反向击穿电压VB