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I T直流斩波电路的设计

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1设计原理分析 (1)

1.1总体结构分析 (1)

1.2主电路的设计 (1)

1.3触发电路的设计 (2)

1.4驱动电路设计 (3)

1.5保护电路分析 (5)

2仿真分析与调试 (6)

2.1建立仿真模型 (6)

2.2仿真结果分析 (8)

3确定实际参数 (11)

心得体会 (12)

参考文献 (14)

附录： (15)

IGBT直流斩波电路的设计

1设计原理分析

1.1总体结构分析

直流斩波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。它在

电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT 的降压斩波短路。

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。电路的结构框图如下图（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主电路的设计

主电路是整个斩波电路的核心，降压过程就由此模块完成。其原理图如图2所

示。

io L 开始

断，而电感L 足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，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。这也就是降压斩波电路的工作原理。

降压斩波的典型波形如下图所示。

t O T

i G t on t off i o

E M

i G i

图2中的负载为电动机，是一种放电动式负载。反电动势负载有电流断续和电

流连续两种工作状态。分别入图3中b ）和a ）所示。

无论哪一种情况，输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：

（1-1）

T on 表示导通的时；T off 表示截止的时间；A 表示导通时间占空比。

对于输出电流，当Uo>E 时电流连续，输出电流平均值大小为：

（1-2）

当Uo

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。

1.3触发电路的设计

斩波电路有三种控制方式：

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。PWM 控制信号的产生方法有很多。这里我使用的

是IGBT 的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。

图4 PWM 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就爱你过信号放大。另外，主电路会产生很大的谐

E E T t E t t t U α==+=on off on on o R E U I M

o o -=

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。

1.4驱动电路设计

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。

当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge。以及要有足够的输入输出电隔离能力，要能够保证输入输出信号无

这里，我是使用了EXB841集成电路作为IGBT的驱动电路。其具体电路原理图参见附件原理图。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，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。

当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时，光祸ISO1导通，A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向一个IGBT提供电流使之迅速导通。

控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕ISO1不通，A点电位上升使V1和V2导通;V2导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V(相对于EXB841脚1低5 V)，使IGBT 可靠关断。

设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20 V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，uce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6"悬空”,B点和C点电位开始由8V上升;当上升至13V时，VZ，被击穿，V3导通，C4通过R，和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VU6导通时D点电位也逐步下降，使EXB 841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。

对于EXB841，它本身存在一些不足之处。例如过流保护阈值过高，保护存在盲区，软关断保护不可靠，负偏压不足，过流保护五自锁功能等。为此，对驱动电路进行了一些优化，还增加了故障信号封锁电路。这些主要都是为了加强对电路的保护，属于保护电路的范畴。驱动电路原理图如下所示。

图5 驱动电路原理图

1.5保护电路分析

保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。下面便来做具体分析。

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 EXB841存在保护盲区的问题，可如图5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5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EXB84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。

2仿真分析与调试

2.1建立仿真模型

在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。

这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。

仿真电路图如下图所示。

图6 仿真电路图

仿真电路中，用虚拟的示波器监控了斩波电路输出电压输出电流的波形，以及ＩＧＢＴ电压电流的波形。另外我还在电路中加了一个滤波电容。

根据题目要求输出电压平均值为100V，电流为10A。这里是首先指定电源为200V直流。则最大占空比为50%。先用纯电阻负载，则负载理论阻值应该为

10Ω。至于负载回路中的大电感，我在这里取的700mH。

设定好元器件的参数之后,还需要设置仿真算法和仿真时间。我的设置如下图所示。

图7 仿真设置界面

由图可见，我定1S的仿真时间。设置的仿真算法是ode45。

2.2仿真结果分析

纯电阻负载时，仿真波形如下图所示：

图8 纯电阻10%占空比波形

图9 纯电阻50%占空比波形图

由上述波形图可以看出，电压电流的波形都近似为一条直线。电压平均值大约为99.8V ,电流平均值大约为9.955A。即输出电压，电流与理论值都存在很小的误差。但考虑到其他元件自身的阻抗作用，这种误差是能够容许的。

此时占空比的控制从0到50%即可实现输出电压从0到100V的调整。

当负载为反电动势负载时，Uo>E时才会有电流。设定E为40V，内阻为6Ω。要使输出电压100V时电流连续可调，则占空比必须大于20%。此时波形图如下。

图10 反电动势20%占空比

图11 反电动50%占空比波形

由上述波形图可以看出，电压电流的波形仍然都近似为一条直线。电压浮动从59.091V到59.099V，平均值约为59.095V电流浮动从9.82V到9.88V，平均值约为9.85V。此时要维持电压的连续可调，则占空比至少要达到20%。综合分析从20%到50%即可实现让斩波电路能够连续可调。

3确定实际参数

结合仿真过程的想象和分析，先确定纯电阻负载时R=10Ω。占空比从0到50%调整，但其间必然会产生电流断续。带反电动势负载时，R=6Ω, E=40V,占空比从20%到50%调控时，可以保证负载电流连续。

如下图所示，供给斩波的直流电是由交流电经整流后得到的。

图12 整流电路

有前述可知要求供给斩波的直流电压为200V。则

变压器二次侧电压有效值为： U2 = 200 / 0.9 = 222.22V

二次侧电流最大有效值为： I2 = 10 / 2 = 5A

变压器容量为： S = U2 * I2 = 1111VA

一次侧电流最大有效值为： I1 = S / 220 = 5.05A

对于IGBT，它所承受的最大电压为200V，最大电流为10A。由于IGBT很容易过电损坏，选择器件是留足两倍的裕量。则选择IGBT的额定电压为400V，额定电流为20A。

另外，续流二极管承受最大电压和电流与IGBT相同，也采用相同方式来整定器件参数，即其额定电压也与IGBT相同。

心得体会

通过这次对降压直流斩波电路的课程设计，我对斩波电路有了更加清晰的认识，同时也对IGBT的驱动电路和保护电路也有了更深刻的认识，

另外，在做设计的过程中我也学会了用一些基本元部件进行建模的基本方

法，加深了对课本知识的进一步理解。

同时这次课程设计应用到MATLAB软件，设计时借助MATLAB软件进行系统模型仿真，进一步熟悉了MATLAB语言及其应用，用该软件对该电

路进行分析，大大简化了计算和绘图步骤。同时该次课程设计，还用到了

Altium Designer软件进行原理图的绘制，是我跟家熟练地掌握了Altium Designer绘图的技巧。书写课程设计说明书时使用WORD软件，使我掌握

了许多关于WORD编辑和排版技巧，提高了自身对一些基本软件的应用技

能。

总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在电源上丰富

而强大的用途，为将来走进工作打下了基础，还让我懂得自主学习的重要

性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获。

参考文献

[1]王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2008

[2]王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999

[3]叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999

[4]马建国.孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,2004

[5]马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004

[6]王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社，2002

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