IGBT升降压斩波电路设计

电力电子技术课程设计报告课题名称IGBT升降压斩波电路设计专业班级学号学生姓名指导教师指导教师职称评分完成日期：2015年1月13日摘要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，诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛，对其做研究有很好的使用意义。本文首先比较了两种具有升降压功能的DC／DC变换电路，具体地分析了两种DC／DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，通过MATLAB软件中的Simulink部分建模仿真，最后给出了测试结果。关键词：直流斩波；升降压；IGBT；全控型目录目录...............................................................11设计任务要求.....................................................11.1设计任务11.2设计要求22方案选择.........................................................22.1方案一22.2方案二23电路设计.........................................................33.1主电路设计33.2驱动电路设计33.3保护电路44仿真控制.........................................................55心得体会.........................................................5参考文献...........................................................6附录1程序清单....................................................6附录2元件清单....................................................7答辩记录...........................................................71设计任务要求1.1设计任务IGBT升降压斩波电路设计（纯电阻负载）设计条件：（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10%1.2设计要求1，分析题目要求，提出2-3种实现方案，比较并确定主电路结构和控制结构方案；2，设计主电路原理图，触发电路原理图，并设置必要的保护电路；3，参数计算，选择主电路及保护电路元件参数4，利用仿真软件MATLAB等进行电路优化；5，最好可以建模并仿真完成相关的设计电路。2方案选择2.1方案一该DC／DC变换器为前后级串联结构，前级是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R构成降压变换电路，后级是由2T、2D、L、C构成升压变换电路，其中2D、L、C均出现在前、后级变电路中。采用PWM方式控制两个主开关管3T、2T存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。为此增加辅助开关管1T，且3T由NPN型改为PNP型，显然1T、2T是共地的，1T、3T是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。这样，原本通过控制3T、2T来控制电路的工作状态，现在是通过1T、2T来控制，1T称为降压斩波辅助开关，2T称为升压斩波主开关、3T称为降压斩波电路。其电路图如图2.1所示:图2-1原理图2.2方案二该变换器的结构是运用了全控型器件IGBT，其工作原理是：当V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。V关断时，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。电路图如图2.2。（加书上原理图）图2-2原理图方案比较：方案一虽然实现了升降压,但是利用开关控制升降压的变换，而在方案二中直接采用全控型器件IGBT，利用IGBT的通断控制升降压的变换，电路比较简单，而且容易操作。因此，在设计中我们选择了方案二来实现升降压斩波控制。3电路设计3.1主电路设计我们最终采用的主电路图是第二种方案。图3-1主电路设电路中电感L很大，电容C也很大，使得电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。之后使得V关断，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。稳态时，一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，即（3-1）当V处于通态期间，=；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是:（3-2）所以输出电压为：（3-3）当输出端电压恒定且电流连续时，电感电流连续的临界条件：（3-4）连续模式时的电容值：（3-5）其中纹波电压为，周期为。负载电阻（3-6）其中为输出功率根据设计要求，开关频率5KHZ，则开关周期时间为0.2ms。另设电压脉率为10%，作为仿真时电感电阻取值时的依据。3.2驱动电路设计由于IGBT是全控型器件，这给了我们利用“软件+驱动电路”的方法去实现对IGBT的开通和关断。通过对PWM信号的调制，实现对IGBT通断的控制。控制框图如下：图3-2驱动电路控制框图在这里，我利用单片机写程序输出PWM信号。这里的程序可以通过独立按键很好的调整占空比的大小。PWM控制程序如附录1所示。软件流程图如下图3-3软件流程图51单片机作为一款简单有很廉价的控制芯片，在这里被用来作为控制PWM信号的产生和输出，我们采用了Atmel公司生产的AT89C51单片机。其工作频率为12MHZ，我们通过定时器中断的方式来输出周期为0.02ms的PWM波。图3-4AT89C51芯片模型IGBT为电压驱动型器件，因而需要专用的混合集成驱动器，这里我们采用三菱公司生产的M57962驱动模块。其技术指标如下：特点：单管大功率IGBT模块驱动器。M57962的改进型，管脚与M57962完全兼容，缺省参数也基本相同，可以直接代换。可按默认值直接使用，也可根据需要调节保护盲区区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间。应用：可驱动IGBT(300A/1200V或600A/600V)一只图3-5M57962结构图图3-6M57962外部接线图考虑到单片机I/O口的输出信号电压可以达到5V，而驱动模块M57962的原端输入电压要求为5V，因此可以直接将单片机PWM输出口和M57962的信号输入端13连接。输出端5的PWM信号可以被抬升至到15V，由于IGBT的栅极-漏极开通电压为12V至18V，因此这时从M57962模块输出的信号可以控制IGBT的关断。3.3保护电路缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。在无缓冲电路的情况下，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。为了防止IGBT被毁坏，我们需要在IGBT上加关断缓冲电路。缓冲电阻取10kΩ，电容仿真取10000uF。图3-7IGBT缓冲保护晶闸管开通时的di/dt很大，我们需要加开通缓冲电路。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。缓冲电阻取500Ω，电容仿真取0.25uF。图3-8二极管缓冲保护4仿真控制通过之前电路方案的选择和元件值的计算，我们利用MATLAB软件建立了仿真模型。图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型。图4-1由IGBT构成的Boost-Buck电路模型负载输出电压仿真结果如下：图4-2（a）占空比为50%时负载的波形此时L=1.9e-4，C=1.2e-4，R=8.33。图4-2（b）占空比为80%时负载的波形此时L=5.3e-4，C=1.2e-5，R=133.333。图4-2（c）占空比为20%时负载的波形此时L=0.333e-4，C=7.68e-4，R=0.5208333。当占空比为50%时，此时电路为临界状态，理论输出电压应该为50V,由图6（a）看出，实际输出电压在47V到53V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为80%，此时电路为升压状态，理论输出电压应该为200V，由图6（b）看出，实际输出电压在180V到200V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为20%，此时电路为降压状态，理论输出电压应该为12.5V，由图6（b）看出，实际输出电压在12.3V到12.6V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围。5心得体会此次电力电子课程设计，我的任务是绘制保护电路，驱动电路以及使用MATLAB软件中的Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型。通过仿真计算，我深刻的理解了DC/DC电路中升降压部分的精妙之处，通过仿真计算，对升降压电路的理解更上一层楼。升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛。此次课程设计的实验结果很好的验证了升降压斩波电路的功能特性。MATLAB是一款高深而有效的工具，在分析升降压斩波电路时发挥了重要作用。其功能强大，应用广泛，通过仿真取代实物，大大降低了实验成本。在这次课程设计中，利用Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型可以轻松求解所需值，通过输出波形验证了理论的正确性，同时节省了人工计算的难度和实践的成本。这段时间很好的考验了我的学习能力。由于之前对Simulink不是很了解，因此在空闲时间就在看Simulink工具的参考资料。在仿真遇到困难时就去MATLAB论坛向前辈请教或者直接去向师兄请教，很好的锻炼了自己的能力。参考文献[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2009.[2]王晶，翁国庆.电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真与应用[M].西安电子科技大学出版社,2008.[3]陈坚.[J].高等教育出版社.2002.[4],,.SpaceVectorPulsewidthAmplitudeModulationforaBuck–BoostVoltage/CurrentSourceInverter.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics.2014,29(1).[5]陆治军，王强.一种新型升降压LED驱动电源[M].电源技术.2010.12.附录1程序清单//==========================================#includereg52.hunsignedinta,b;//--------------------