IGBT升降压斩波电路设计

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Written by Peter at 2021 in January

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

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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

1 设计任务要求设计任务

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%

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

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。其电路图如图所示:

图2-1原理图

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。（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

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i L和电容电压即负载电压u O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i l，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u L 对时间的积分为零，即

∫U L

dt =0T 0 （3-1） 当V 处于通态期间，u L =u d ；而当V 处于断态期间，u L =-u o 。于是:

U d t on =U d t off （3-2）

所以输出电压为：U o =t on

t off U d =t on

T−t on U d =α1−αU d （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：L c =

R 2D c (1−D c )2T s （3-4） 连续模式时的电容值： C =V o D c T s

RU o =I o D c T s U o （3-5）

其中纹波电压为U 0，周期为T s 。

负载电阻 R =P o

U O 2 （3-6）

其中 P o 为输出功率

根据设计要求，开关频率5KHZ ，则开关周期时间为。另设电压脉率为10%，作为仿真时电感电阻取值时的依据。

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