IGBT直流降压斩波电路设计设计直流降压IGBT降压斩波电路

目录

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触发电路的选型 (2)

1.4驱动电路选型 (3)

1.5整流滤波电路 (5)

2. 设计总电路图及参数 (6)

2.1设计总电路图 (6)

2.2 元件参数计算 (8)

3. 元器件清单 (10)

小结 (11)

参考文献 (11)

IGBT 直流降压斩波电路的设计

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

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。

图2 主电路原理图

如图，IGBT 在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流io 流过大

i E

V +

-

M

R

L

VD a)i o

E M

u o

i G

电源 触发电路 驱动电路 主电路

整流滤波电路

电感L ，电源给电感充电，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。IGBT 以这种方式不断重复开通和关断，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。

图3 降压电路波形图

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 ；α表示导通时间占空比。

对于输出电流，当0U >E 时电流连续，输出电流平均值大小为：

（1-2） 当Uo

1.3触发电路的选型

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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t on ，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型：

t

O O O

E O

t

t

t

E M

i G t

t

T

i G

t on

t off

i o

i 1i 2I 10I 20t 1

u o

a)

b)

O O T E

E

i G t on

t off

i o

t

x

i 1

i 2

I 20

t 1t 2

u o

E E T

t

E t t t U α==+=

on off on on o R

E U I M

o

o -=

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将信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，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驱动电路的选型

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相互影响。

我采用的IGBT的驱动电路是专用的混合集成驱动器，下面给出的是三菱公司的M57962L型IGBT驱动器的接线图。这些混合集成驱动器内部都有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。

图5 M57962L型IGBT驱动器的接线图

1.5整流滤波电路

由于生活中给的都是220V的交流电，所以我们在进行直流斩波时，第一步是把交流电进行变压整流滤波成为直流电压。下面是我使用的整流滤波电路。电容为滤波电容。具体电路如下图。

图6 整流滤波电路

2.设计总电路图及参数

2.1设计总电路图

经过以上对整流滤波电路，主电路，触发电路，驱动电路的分析与设计，得到直流降压斩波电路的总电路图如下图所示。

图7 总电路图

2.2元件参数计算

2.2.1由图3可得如下分析

基于分时段线性电路这一思想，按V 处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。

电流连续时得出

（1-3）

（1-4）

式中， ， ， ，

I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（1-3）和式（1-4）用泰勒级数近似，可得

（1-5）

平波电抗器L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

（1-5）所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即

则

假设电源电流平均值为I1，则有

其值小于等于负载电流Io ，由上式得

R E m e e R E R E e e I m

T t ???? ??---=-???? ??--=1111//101ραρττR E m e e R E R E e e I m T t ????

??---=-???? ??--=----ραρττ1111//201R L /=ττρ/T =E E m m

/=αρττ=??? ?????? ??=T T t t 11/()o I

R

E

m I

I =-≈≈α2010T I E T RI t EI o m o on o +=2R E E I m o -=α

o o on

I I T t I α==1o o o I

U EI EI ==α1

即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。 电流断续时有I10=0，且t=ton+tx 时，i2=0，可以得出

当off

x

t t <时，电路为电流断续工作状态，off

x

t t <是电流断续的条件，

即

输出电压平均值为

负载电流平均值为

根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。

2.2.2 假设设计要求V

U d

100=，

A I d

10=，我令直流电压输入

V E 200=，则由BUCK 降压斩波电路公式E U d

α=得导通占空比为50%，在此为了

方便令V E M 0=，故Ω=10R ,可选型号为10K 。根据之前电路分析，电感应为无穷

大，故取H L

10=，可选型号为cmso805-6r3 。另外，为了使输出的波形更加稳定，

我在R 上并联了滤波电容C ，取F C 1.0=可选型号为BSMJ-0.25-2-1。

又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： 222.22V

0.9 / 200 U2== (1-6) 二次侧电流有效值为：

7.07A 2 /10 I 2== (1-7) 由变压器容量公式 I2 * U2 S = (1-8)

由此可得：

??

?

?

??--=-m e

m t x αρτ)1(1ln 11

-->ρ

αρe e m E m T t t T E t t T E t U x on m x on on o ????????? ??+-+=--+=1)(αR

E U R E m T t t t i t i T I m

o x on t t t t o on x

on on -=??? ??+-=??? ?

?

+=??+α02

1d d 1

S=1571.10V A

一次侧电流最大有效值为：

7.14A

220

S

I1=

÷

=(1-9)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,由此可选得型号为IRG4PC-40U 。

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，由此可选得型号为1N4007。

在滤波电路中，单个二极管的平均电流为0.45U2/R;平均压降为2U2(为全波整流的一半)。

I dvt =0.45×222.22÷10

=10A

Udvt =2×222.22

=444.44v

在选择器件型号的时候可以选择电流留有两倍裕量20A，电压留有一点五倍裕量666.66v。由此可选二极管型号1N5396 。

3.1 元器件清单：

元件名称元件型号数量数值大小

电源交流※220v

电容BSMJ-0.25-2-1（C5）BSMJ-0.25-5-1（C6） 2

C5=0.1F C6=100pF

普通二极管1N5396 4 13333.2w 续流二极管1N4007 1 80000w IGBT IRG4PC40U 1 80000w 电感cmso805-6r3 1 10H 电阻10K 1 10Ω

小结

在此次课程设计中，我做的是降压直流斩波电路，其要求是输出电压为100V，电流为10A。在电力电子技术中，我们学习了直流斩波原理，故此次课程设计更加加深了我对这一章的了解。其中整个电路包括整流滤波电路，降压直流斩波主电路，以及IGBT的触发电路和驱动电路。触发电路使用的是PWM控制，驱动电路将其信号放大，控制IGBT的关断和导通，从而改变输出直流电压的大小，达到连续调节的目的。

此次课程设计我大概用了2个星期的时间，遇到了很多问题，也学到了很到知识。每一次跌倒都是最好的成长。只有把理论跟实践相结合，从实践中得出结论，分析理论，才能跟好的掌握所学知识，同时也提高了我们的实际动手能力和独立思考能力。

参考文献

[1] 王兆安、黄俊.<<电力电子技术>>.

[2]莫正康.<<现代电力电子技术应用>>.

[3] 王锁萍.<<电子设计自动化教程>>.

[4] 百度文库.