IGBT升压斩波电路的设计 2要点

1 设计要求与方案

1.1 设计要求

利用IGBT 设计一个升压斩波电路。输入直流电压U d

=50V ，输出功率P=300W ，开关频率为5KHz ，占空比10%到50%，输出电压脉率小于10%。

1.2 设计方案

根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1所示。

图1

在图1结构框图中，控制电路用来产生IGBT 升压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT 控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT 的开通和关断来控制IGBT 升压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。

主电路

驱动电路电源

触发电路

2 升压斩波电路设计方案

2.1 升压斩波主电路电路工作原理原理图

本设计为直流升压斩波（boost chopper ）电路，该电路是本系统的核心。应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率IGBT 管。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，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

原理图如下图1所示：

图1 主电路仿真图

左边E 为输入直流50V 电压,右边为U 0斩波电压输出。I G 为SG3525输出的PWM 斩波信号。V 为IGBT ，VD 为电力二极管，L 为电感，C 为电容，R 为负载。

原理分析：首先假设电感L 值很大，电容C 值也很大。当I G 为高电平时，V 导通，50V 电源向L 充电，充电基本恒定为,同时电容C 上的电压向负载R 供电，因C 值很大，基本保持输出电压o

u 为恒值，记为o

U

。设V 处于通态的时间

为o n

t

，此阶段电感L 上积储的能量为1o n E I t 。当V 处于段态时E 和L 共同向电容

C 充电，并向负载R 提供能量。设V 处于段态的时间为o t ，则在此期间电感L 释放的能量为01()o f f U E It 。当电路工作于稳态时，一个周期T 中电感L 积储的

o n o f f 0o f f o f f

t t T U E E t t +=＝T off

t =βE -11E 1U 0αβ==off t T 能量于释放的能量相等，即

101()o n o f f E I t U E I t =- (2-1)

化简得 (2-2)

上式中的off /1T t ≥，输出电压高于电源电压。式（2-1）中o ff /T t 为升压比，调节其大小即可改变输出电压o U 的大小。

——升压比，调节其即可改变0U 。将升压比的倒数记作β，即 和导通占空比，有如下关系：

1=+βα

(2-3)

因此，式（2-2）可表示为： (2-4)

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是

L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V 处于通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo 不变，但实际上C 值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U 。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C 值足够大时，误差很小，基本可以忽略。

2.2 触发电路的设计

电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。

为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图2所示：

图2 PWM触发电路

工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。此时形成脉冲信号，再将脉冲信号通过SG3525AN的OUTA、OUTB端输出整流，送到光电耦合器去将信号放大。

2.3 触发脉冲的放大

脉冲的放大电路如图3所示。脉冲信号经过光电耦合器U2隔离输出，最后经过Q2放大输出到IGBT的门极g

图3 脉冲放大电路

工作原理：

其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，通过PWM触发电路调节R7可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。

2.4 驱动电路设计

2.4.1 驱动电路原理图

IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电器隔离的部分。

具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：

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+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。

3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。

4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅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。

这里，我是使用了EXB841集成电路作为IGBT的驱动电路。EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。

当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时，光祸ISO1导通，A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向一个IGBT提供电流使之迅速导通。

控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕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EXB841的脚3电位迅速下降至0V(相对于EXB841脚1低5 V)，使IGBT可靠关断。

设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20 V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，u ce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6"悬空”,B点和C点电位开始由8V上升;当上升至13V时，VZ，被击穿，V3导通，C4通过R，和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VU6导通时D点电位也逐步下降，使EXB 841的脚3电位也逐步下降，缓