IGBT升压斩波电路的设计-2
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1 设计要求与方案
设计要求
=50V,输出功率P=300W ,利用IGBT设计一个升压斩波电路。输入直流电压U
d
开关频率为5KHz,占空比10%到50%,输出电压脉率小于10%。
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。
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2 升压斩波电路设计方案
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:
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图1 主电路仿真图
左边E为输入直流50V电压,右边为U
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。
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 0
α
β==off t T "
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。
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触发电路的设计
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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
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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。
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
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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。
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驱动电路设计
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。
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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