IGBT升压斩波电路设计

电子技术

课程设计说明书IGBT升压斩波电路设计

学生姓名：学号：

学院：

专业：电气工程及其自动化

指导教师：

2013年12 月

目录

1 引言 (3)

1.1 电力电子技术的介绍 (3)

1.2 电力电子技术的应用 (3)

1.3 电力电子技术中的直流变化技术 (4)

2 系统方案与主电路设计 (4)

2.1 系统方案 (4)

2.2 主电路设计 (4)

2.3 参数计算 (5)

2.3.1 RLC的计算 (5)

2.3.2 额定参数的计算 (6)

3 控制电路的设计 (6)

3.1 芯片SG3525的介绍 (6)

3.2 控制电路原理图 (7)

4 系统仿真 (8)

4.1 仿真模型的建立 (8)

4.2 系统仿真结果与分析 (11)

5 结论 (12)

参考文献 (13)

1 引言

1．1 电力电子技术的介绍

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。

电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。

1.2 电力电子技术的应用

电力电子技术是一个全新的技术平台，它由电路技术、功率半导体技术、计算机技术以及现代化的控制技术组成。从电力电子技术出现算起，它已经走过了50年的发展历程，也从电子技术中分离出来，成为了一门独立的科学技术。随着科学技术的发展，电力电子技术广泛应用于国民经济的每个工业领域。新千年后，电力电子技术的相关技术得到长足发展，再加上与微电子技术的结合，将使电力电子技术应用前景更为广阔。电力电子技术在发展速度，渗透力、与别的学科的融合程度上都与微电子技术有着相同的特征。这也使电力电子技术有旺盛的生命力，必将迎来更加广阔的发展空间。在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。

1.3 电力电子技术中的直流变化技术

直流变换技术已被广泛地应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（ups ）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能。并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入使电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅起到调压作用，还起到有效抑制网侧谐波电流的作用。 2 系统方案与主电路设计

2.1 系统方案 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。

直流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。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u 。的大小。控制电路模块，可用直接产生PWM 的专用芯片SG3525来控制IGBT 的开通与关断。驱动电路模块，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。

2.2 主电路设计

升压斩波电路设计条件：

1.电源电压：直流U d =50V

2.输出功率：250W

3.占空比5.0=α

4 .开关频率5KHz

5.L=100mH F C 4105.0-?=

升压斩波电路工作原理图如下所示：

图2.1 工作原理图

2.3 参数计算

2.31 RLC 的计算

根据设计要求，我选择选大小为V 50的直流电压源，选取降压斩波电路的占空比为

%50。因此，输出电压V U 1000=，输出功率R

U P 200=。又因为要求输出功率为250W ，可计算出负载电阻40Ω。

从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（i on U It ）与开关关断期间释放的能量（()o i off U U It -）相等。

列出等式：

()i on o i off U It U U It =- （2-4） 解得：i o U U α

-=11 （2-5） 下面确定电流连续的临界条件：

如果在T 时刻电感电流L i 刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时2L i i ?=，升压斩波电路的输入输出功率分别为 i i L P U I =、o o o P U I =

忽略损耗，有i o P P =，于是 00011I I U U I i l α-== （2-6）

R b)i G

i o

联立式（1）（4）（5）得临界电感值为 T R L c 2)1(2

αα-=

（2-7） 确定电容的计算 电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，T I Q α0=?

则电压变化量 RC T U C T I C Q U αα000==?=

? （2-8） 则 0

0U R T U C ?=α （2-9） o U ?可决定脉动率。

计算C L ：由式（6）T R L c 2)1(2

αα-=，周期T 可由开关频率5KHz 得出为4210s -?，把o U 、ρ、o P 代入上式得出H L C 5105-?=，当C L L >时，工作在连续状态下。故选择L=100mH 满足电流连续条件。

计算C ：由式（8）0

0U R T U C ?=α，要求脉动率10%<，取10%，计算V U U 10%1000=?=?，代入上式计算出F C 5105.2-?=，滤波电容越大，输出电压越平直，故选择F C 4105.0-?=满足要求。

2.32额定参数的计算

电力二极管额定参数的计算：

电力二极管承受的电压为：V U U 1000==， 确定其额定电压为：200V 。 电力二极管流过有效电流为：A I 5.2=,额定电流为：A A 59.157.1/5.2=。 IGBT 电流、电压额定参数选择：

IGBT 承受电压为：V U U 1000==，确定其额定电压为：200V 。

IGBT 流过有效电流为：A I 0.5=,额定电流为：18.357.1/5=A A 。

3 控制电路的设计

3.1 芯片SG3525的介绍

PWM 控制芯片SG3525 具体的引脚结构图如下所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V ，采用了温度补偿，而且设有过流

保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

图3.1 芯片SG3525引脚结构图

3.2 控制电路原理图

此电路主要用来驱动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。其电路图如下所示：

图3.2 控制电路原理图

4 系统仿真

4.1仿真模型的建立

IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图。

图4.1 IGBT升压斩波电路模型相应的参数设置：

各部分的具体参数设置如下：

图4.2 直流电压参数设计

图4.3 触发脉冲参数设置

图4.4 IGBT参数设置