IGBT降压斩波电路设计(纯电阻负载)

课程设计任务书学生：专业班级：指导教师：工作单位：题目:IGBT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=150V2、输出功率：250W3、开关频率4KHz4、占空比5%~50%5、输出电压脉率：小于5%要求完成的主要任务:1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；4、通过答辩。

时间安排：2012.12.24-12.29指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1原理分析及电路设计 (1)1.1IGBT降压斩波电路组成 (1)1.2主电路工作原理及结构说明 (1)2各模块电路设计 (3)2.1主电路带纯电阻负载 (3)2.2控制电路 (4)2.3驱动电路 (6)2.4保护电路 (7)2.5各器件参数确定 (8)3系统仿真及结果分析 (10)3.1建立仿真电路模型 (10)3.2设置仿真参数 (11)3.3仿真结果分析 (14)3.4结论 (16)心得体会 (17)参考文献 (18)IGBT 降压斩波电路设计1原理分析及电路设计1.1IGBT 降压斩波电路组成直流-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，IGBT 降压斩波电路是直接直流变流电路。

直流降压斩波电路不需要输入输出间的隔离。

直流电压变换电路主要可控器件为全控器件IGBT ，其所带负载可为阻性感性以及容性。

与一般电子电路结构类似，直流降压斩波电路主要分为三个部分，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1所示。

图1 电路结构框图除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。

1.2主电路工作原理及结构说明典型降压斩波电路的原理图如图2所示。

图2 降压斩波电路原理图E M典型降压斩波电路主电路由直流电源E ,全空型器件IGBT-V,普通单向导通二极管VD 及电感组成。

其中IGBT 作为开关器件使用，二极管起续流的作用，同时为了使负载电流脉动小，电感的L 的值一般非常大。

如图3所示，IGBT 在控制电路触发信号的作用下导通与关断。

导通时，二极管截止，电流o i 流过大电感L ，电源给电感L 充电，同时为负载供电。

而IGBT 截止时，电感L 开始放电为负载供电，二极管VD 导通，形成回路L-R-m E -VD 。

通过控制触发电路的触发时间，IGBT 以这种方式不断重复导通和关断，而电感L 足够大，使得负载电流连续，而电压断续。

从输出电压波形图上计算输出电压平均值，可知输出电压的平均值减小了。

输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。

因此可以通过控制触发电路触发信号的参数来控制α的大小，从而控制输出电压的大小。

因为10<<a ，所以输出电压始终小于输入电压，该电路为降压斩波电路。

降压斩波的典型波形如下图所示。

图3 降压斩波电路工作波形图降压斩波电路可以带多种，带不同的负载则工作在不同的状态。

可带感性、容性、阻性以及带反电动势负载。

图3为典型降压斩波电路反电动势负载的工作波形。

反电动势负载有电流断续和电流连续两种工作状态。

分别如图3中a ）和b ）所示。

由输出电压的波形图可知，在电流断续与连续的情况下输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：（1）on T 表示导通的时；off T 表示截止的时间 ；a 表示导通时间占空比。

对于输出电流，当E U o >时电流连续，输出电流平均值大小为：（2）E E TtE t t t U α==+=on off on on o RE U I Mo o -=i G i当Uo<E 时，电流既无法通过IGBT 也无法通过二极管。

于是便出现了电流断续的现象。

一般不希望出现电流断续的现象，因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。

当 11-->σσe e m a 电流断续，反之则电流连续。

其中στσa t TT t t E E m T m ====111;/;/。

2各模块电路设计2.1主电路带纯电阻负载带纯电阻负载降压斩波电路如图4所示。

0i图4 带电阻降压斩波电路（1）工作原理：当触发脉冲使V 导通时,电源E 向负载供电，续流二极管VD 因承受反向电压而关断，因此形成回路E-V-L-R-E 。

同时电容C 被充电，电感L 在蓄积能量。

在V 导通的时间on T 回路电流0i 增大，由于电感值很大，所以在回路中形成的的电流0i 的大小几乎无变化。

输出电压为0U ,极性为上正下负。

当触发脉冲使V 关断时，电源E 不再向负载供电时。

由于电感的电流不能突变，此时二极管VD 承受反压导通续流，使回路中的电流逐渐减小，消耗在负载电阻上。

当电感的的能量释放到使流过电感的电流小于0i 时，电容C 开始放电，与流过电感的电流叠加保持负载电流基本不变。

整个关断过程即是电感通过回路L-R-VD-L 释放能量和电容通过回路C-R-C 放电的过程，在V 关断时间off T 留过负载电阻的电流0i 和其两端的电压0U 基本不变。

在上述两种工作状态下降压斩波电路的工作波形如图5所示。

GE UVD U0U图5 降压斩波电路工作波形（纯电阻负载）其中GE U 为IGBT 的栅极G 和射极E 两端的电压，VD U 为二极管VD 两端的电压，0U 为负载两端的输出电压，占空比T T a on / 。

上述波形是在各器件工作在理想状态下的波形。

IGBT 没有导通和关断延迟，也没有导通压降和漏电流；非线性元件电感和电容都工作在线性区，即在导通和关断过程中不出现饱和现象；且电感电容的值足够大，使输出电压基本无脉动。

2.2控制电路由典型降压斩波电路可知，输出电压0U 的大小由占空比a 控制，所以通过调节占空比a 就可以调节输出电压的大小。

斩波电路中有三种调节占空比方式：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： 2）保持导通时间不变，改变开关周期T ，成为频率调制或调频型； 3）导通时间和周期T 都可调，是占空比改变，称为混合型。

其中第一种是最常用的方法，其调节占空比的实质是给全控器件IGBT 的栅极G 和射极E 之间所加电压在一个开关周期大于开启电压)(th GE U 的时间ton 的大小，即调节脉冲宽度。

PWM 控制信号的产生方法有很多，有与IGBT 相适配的专用触发芯片SG3525。

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM 控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

SG3525管脚图如图6所示。

图6 SG3525引脚图各引脚功能功能说明见附录2。

由SG3525构成的PWM控制信号产生电路如图7所示。

图7 PWM控制信号产生电路SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路将信号放大。

另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。

因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。

IGBT是电压驱动型电力电子器件，栅射极之间存在数千皮法的极间电容，因此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。

IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

可以选择EXB841或EX840驱动芯片。

驱动电路如图8所示。

图8 驱动电路保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。

驱动电路中VZ5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。

R1和C1及VZ4接在+20 V电源上保证稳定的电压。

VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，电阻Rge是防止IGBT误导通。

针对 EXB840存在保护盲区的问题，可如图8所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽进行封锁，从而保证软关断的顺利进行。

该电路解决了EXB841存在的过电流保护无自锁功能这一问题。

经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和-5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。

针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。

针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。

一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)。

图8下半部分所示为故障信号的封锁电路。

当IGBT正常工作时EXB841的5脚是高电平，此时光耦6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C6不充电，NE555 P 的3脚输出为高电平，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT。

当EXB841检测到过电流时EXB841的5脚变为低电平，于是光耦导通使V1截止，+5V 电压经凡和R4对几充电，R5和R，的总阻值为90KΩ,C6为100 pF，经过5 us后NE555P 的3脚输出为低电平，通过与门将输人信号封锁。

因为EXB841从检测到IGBT过电流到对其软关断结束要10 ms，此电路延迟5us，工作是因为EXB841检测到过电流到EXB841的5脚信号为低电平需要5 us，这样经过NE555 P定时器延迟5 ms使IGBT软关断后再停止输人信号，避免立即停止输人信号造成硬关断。