IGBT升压斩波电路设计(纯电阻负载)

第1页共16页目录第一章绪论............................................................................................21.1电力电子技术的介绍.....................................................................21.2电力电子技术的应用.....................................................................21.3电力电子技术中的直流变化技术....................................................3第二章系统总体方案及主电路设计...........................................................32.1设计题目IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载）........................32.2系统的方案及其流程图............................................................32.3主电路的设计...............................................................................42.4参数的计算..................................................................................5第三章控制和驱动电路的设计..................................................................73.1控制电路设计................................................................................73.1.1控制电路方案选择...............................................................73.1.2SG3525的工作原理...........................................................93.2驱动电路设计...............................................................................93.3保护电路设计.............................................................................10第四章系统仿真与分析..........................................................................114.1仿真软件Matlab简介...............................................................114.2仿真模型的建立.........................................................................114.3系统仿真结果及分析....................................................................134.3.1仿真结果..........................................................................134.3.2仿真结果分析....................................................................13致谢......................................................................................................15参考文献.............................................................................................16第2页共16页第一章绪论1.1电力电子技术的介绍电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学（PowerElectronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。1.2电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机第3页共16页车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。1.3电力电子技术中的直流变化技术直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。第二章系统总体方案及主电路设计2.1设计题目IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载）设计要求1.输入直流电压：Ud=50v2.输出功率：300w3.开关频率：5KHZ4.占空比：10%~50%5.输出电压脉率：10%2.2系统的方案及其流程图电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电第4页共16页子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的升压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。直流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成。主电路模块，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u。的大小。控制电路模块，可直接用产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。驱动电路模块，驱动电路把控制信号转换为电压信号加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。系统总体流程图如图2-1图2-1系统总体流程图2.3主电路的设计升压斩波电路工作原理图及其波形图2-2所示第5页共16页图2-2升压斩波电路工作原理图及其波形图2.4参数的计算根据设计要求，我选择大小为50v的直流电压源，选取升压斩波电路的占空比为30%。因此，输出电压Uo=71.4v，输出功率P0=Uo2/R。又因为要求输出功率为300W，可计算出负载电阻为17Ω。电压控制电压源和脉冲电压源可组成功率开关的驱动电路。在控制开关开通期间ton，电流从电源正极流出，经过电感从开关流回电源负极。电容C向R供电，输出电压Uo上正下负。电源电压Ui全部加到电感两端Ui=UL，在该电压作用下，电感电流iL线性增长。在导通之间内，电感电流增量为：在控制开关关断期间toff，iL经二极管流出，电感电压极性将变成左负右正，认为电感很大，iL不变。这样，电源和电感同时给电容C和负载R供电，负载两端电压仍是上正下负。电感电压UL=Ui–Uo0，电感电流iL线性减小。在关断时间toff内，电感电流减小量的绝对值为：第6页共16页当电路工作在稳态时，电感电流iL波形必然周期性重复，开关导通期间电感电流iL的增量等于开关断开时电感电流iL的减少量，即△iL+=△iL-，联立（2-1）（2-2）式可得输出电压：由上式可知，α是一个小于1的数，故输出电压比输入电压大。从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（UiIton）与开关关断期间释放的能量（(Uo-Ui)Itoff）相等。列出等式：解得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△iL=2iL，升压斩波电路的输入输出功率分别为：Pi=UiIL、P0=UoIo忽略损耗，有Pi=P0，于是联立式（2-1）（2-4）（2-5）得临界电感值为确定电容的计算：第7页共16页电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的能量相等，△Q=IoαT则电压变化量△Uo可决定脉动率。计算Lc：由式（2-7）知Lc=(R/2)α(1-α)2T，周期T可由开关频率5KHz得出T=2×10-4s，因为这里占空比α的范围为10%~50%，这里取α=30%。把Uo、α、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4H，当LLc时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直，可适当取较大的电感值。计算C：由式（2-9）知C=(UoαT)/(R△Uo)，因为要求电压脉动率10%，这里取5%，计算△Uo=Uo×5%=3.57V，代入上式计算出C=7.06×10-5F，滤波电容越大，输出电压越平直，可适当取较大的电容值。第三章控制和驱动电路的设计3.1控制电路设计3.1.1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；第8页共16页（2）保持导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；（3）导通时间和周期T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中第一种是最常用的方法。此次设计也采用PWM控制。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需的波形。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