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=150V

2、输出功率：250W

3、开关频率4KHz

4、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 (5)

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 (17)

心得体会 (18)

参考文献 (19)

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

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<

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

i G i

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）

当Uo

当 11

-->σ

σe e m a 电流断续，反之则电流连续。

其中

στσa t T

T 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

E E T

t

E t t t U α==+=

on off on on o R

E U I M

o o -=

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 U

VD U

0U

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。