IGBT升压斩波电路设计

IGBT升压斩波电路设计
目录
1 引言 (4)
2 方案设计 (5)
2.1 升压斩波电路原理 (5)
2.2 工作原理 (6)
2.3 参数计算 (7)
3 分单元电路设计 (9)
3.1 控制电路设计 (9)
3.1.1 控制电路方案的选择 (9)
3.1.2 SG3525的工作原理 (10)
3.2 驱动电路设计 (10)
3.3 保护电路设计 (11)
4 总电路图 (13)
5 课程设计总结 (14)
6 参考文献 (15)
1 引言
电力电子技术(Power Electronics)也称为电力电子学。

利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用晶体管集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，可以经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。

是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。

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。

直流变直流是电力电子技术中变流技术的重要部分，广泛应用于电子领域。

直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。

本课程设计就是其中的一种斩波电路，即升压斩波电路。

本课程设计采用IGBT全控型器件，采用专用PWM控制集成电路SG3525进行驱动，并利用MATLAB的Power System工具箱进行主电路的仿真实验，满足了设计要求，是一次比较成功的设计。

2 方案设计
图1 系统总体框图 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组成。

其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT 的开通与关断的时间占空比来决定输出电压Uo 的大小。

控制与驱动电路模块：用直接产生PWM 的专用芯片SG3525产生PWM 信号送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT 的开通与关断。

电路模块：驱动电路把控制信号转换为加在IGBT 控制端和公共端之间，用来驱动IGBT 的开通与关断。

驱动电路模块：控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

2.1 升压斩波电路原理
控制与 直流
主 保
图2斩波电路2.2 工作原理
在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通时电容的放电回路。

调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。

分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C 值也很大。

当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，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uo为恒值，记为Uo。

设V处于通态的时间为t
on
，此阶段电感L上积蓄的能量为
EI
l t
on。

当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。

设V
处于断态的时间为t off,则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E) I
l t
off。

当电路工
作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
EI
l t
on
=(Uo-E) I
l
t
off
(1)
化简得
U o=t on+t off
t off E=T
t off
E(2)
式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

又称boost变换器（Boost Converter）。

式（2）中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。

将升压比的倒数记作β，即β= t off
T。

则β和占空比α有如下关系
α+β=1(3) 因此，式（2）可表示为：
U o=1
βE=1
1−α
E (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:一是电感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，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4）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。

如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EI
l
=UoIo (5) 该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。

根据电路结构并结合式（4）得出输出电流的平均值Io为
I o=U o
R =1
β
E
R
(6)
由式（5）即可得出电源电流I l为
I l=U o
E I o=1
β2
E
R
(7)
下面确定电流连续的临界条件：
如果在T时刻电感电流i L刚好降到0,则为电流连续与断续的临界工作状态。

此时电感电流平均值为
I l=1
2i l,max=1
2
E
L
t on=TU o
2L′
α(1−α) (8)
又由式（4）和式（5）可得
I o
I l
=1−α(9)
联立式（8）、（9）可得，在临界状态下的电感值为
L′=TU o
2I o
α(1−α)2(10) 当时L>L′时，升压斩波电路工作在连续状态下。

电感越大时，电感电流越平直。

电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，即
∆Q =I o αT (11) 则电压变化量
∆U o =∆Q C =I o αT C (12) 所以电容值为
C =I o αT
∆U o (13)
滤波电容越大，输出电压越平直。

2.3 参数计算
（1）输出电压U o 、负载电阻R 、输出电流I o
根据设计要求，可取输入直流电压E=50V ，输出功率Po=1kW ，占空比α=0.375。

因此，由式（4）得输出电压
U o =11−αE =11−0.375×50V =80V (14) 负载电阻为
R=(Uo^2)/Po =〖80〗^2/1000=6.4Ω，
取标称值R=6.4Ω
由（6）式可得输出电流为
Io=Uo/R=80/6.4 A=12.5A
由（7）式可得电源电流为
Il=Uo/E Io=80/50×12.5=20A
（2）电感L 、电容C
要求开关频率 fs=5KHz ，所以开关周期T =1
f s =2×10−4s 。

由式（10）可得在临界状态下的电感值为
L ′=
TU o 2I o α(1−α)2 =2×10−4×1002×3
×0.375×(1−0.375)2=9.375×10−5H 为使升压斩波电路工作在连续状态下，取L =1×10−4H 。

确定电容的计算
要求输出电压脉率小于10%，取5%，则∆U o =U o ×5%=4V 。

代入式（13）
可得
C=I oαT
∆U o
=3×0.375×2×10−44⁄=5.6×10−5
F
为使输出电压较平直，取电容值C=5.625×10−5F。

（3）IGBT
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50V；而当α=1时，IGBT有最大电流，其值为3A。

故需选择集电极最大连续电流I
c
=6A，反向击穿电压B vceo=100V的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。

(4) 续流二极管
其承受最大反压50V，其承受最大电流趋近于10A，考虑2倍裕量，故需选
择U
N ≥200V，I
N
≥10A的二极管。

3 分单元电路设计
3.1控制电路设计
3.1.1 控制电路方案的选择
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，斩波电路可有三种控制方式：1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间t
on
，称为脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型；
2）保持开关导通时间t
on
不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；
3）t
on
和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

其中，又以第1种应用最多，故本设计中也采用PWM控制。

PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

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输出电压。

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要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，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。