IGBT降压斩波电路..

目录

1 绪论 (1)

1.1 电力电子技术的发展史 (1)

1.2 IGBT模块的简介 (2)

2 方案的设计 (3)

3 软件设计 (4)

3.1 主电路的设计 (4)

3.2 控制电路的设计 (4)

3.2 驱动电路的设计 (5)

3.3 保护电路分析 (7)

3.4参数的选取 (8)

4 仿真结果与分析 (9)

4.1 仿真原理图的创建 (9)

4.2 参数的设置 (9)

4.3仿真结果分析 (11)

5 总结 (15)

6 参考文献 (16)

1 绪论

1.1 电力电子技术的发展史

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。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。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的

是所能转换的电功率。

电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

1.2 IGBT模块的简介

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子)，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

2 方案的设计

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。电路的结构框图如图1所示。

电源

控制电路

主电路

驱动电路

图1电路结构框图

在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降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控制端和公共端之间，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降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

3 软件设计

3.1 主电路的设计

降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图2所示。图中V 为全控型器件IGBT 。D 为续流二极管。由图2中V 的栅极电压波形U GE 可知，当V 处于

通态时，电源U i 向负载供电，U D =U i 。当V 处于断态时，负载电流经二极管D 续流，电压U D 近似为零，至一个周期T 结束，再驱动V 导通，重复上一周期的过程。负

载电压的平均值为： i i on i off on on o aU U T t U t t t U ==+= （1） 式（1）中t on 为V 处于通态的时间，t off 为V 处于断态的时间，T 为开关周期,a 为

导通占空比，简称占空比或导通比(a=t on /T)。由此可知，输出到负载的电压平均

值U O 最大为U i ，若减小占空比α，则U O 随之减小，由于输出电压低于输入电压，

故称该电路为降压斩波电路。

(a)电路图 (b)波形图

图2 降压斩波电路的原理图及波形

3.2 控制电路的设计

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：

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：

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。

V D L C Uo -+-+U E

G C R i 11U D

+-U GE U D t t

t U O t on t off T U i

图3 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。

3.2 驱动电路的设计

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R

g 和R

ge

。

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。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R

g

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，V

zi

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，U

ce

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。驱动电路原理图如图下所示。

图4 驱动电路原理图

3.3 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。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R ge是防止IGBT误导通。

针对 EXB841存在保护盲区的问题，可如图4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4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90K Ω,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。

3.4参数的选取

根据设计要求可选大小为100V 的直流电压源，选取降压斩波电路的占空比为50%，则输出电压50o U V =，输出功率 2o o U P R

= （2） 要求输出功率为300W ，可计算出负载电阻8.33R =Ω。电压控制电压源和脉冲电压源可组成IGBT 功率开关的驱动电路。

计算C L ：由公式 2(1)2o C o

U L T P ρ-= （3） 周期T 可由开关频率5KHz 得出为4210

s -?，把o U 、ρ、o P 代入上式得出44.1710C L H -=?，当C L L >时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。取200L mH =。

计算C ：由公式 2(1)8o o

U C T L U ρ-=? （4） 要求脉动率10%<，取10%，计算100%5o o U U V ?=?=，代入上式计算出61.2510C F -=?，滤波电容越大，输出电压越平直，可取电容 4.7C mF =。

4 仿真结果与分析

4.1 仿真原理图的创建

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。仿真原理图如图5所示；

图5 仿真原理图

4.2 参数的设置

（1）直流电压值为100V，设置如图6所示；

图6 电压参数设定

（2）负载电阻为8.33

R=Ω，设置如图7所示；

图7 电阻参数的设定（3）电容为 4.7

=，设置如图8所示；

C mF

图8 电容参数的设定（4）电感参数设定为200

L mH

=，设置如图9所示；

图9 电感参数的设定

（5）周期设置为4210s -?，如图10所示；

图10 周期的设定

（6）示波器的时间范围为0.001S ，设置如图11所示；

图11 示波器时间范围的设定

4.3仿真结果分析

在设计要求10%—90%范围逐渐改变其占空比进行调试，得到如下结果。

（1）设置占空比为10%时，得到的波形图如图12所示；

（2）设置占空比为30%时，得到的波形图如图13所示；

（3）设置占空比为50%时，得到的波形图如图14所示；

图14 占空比为50%的仿真图

（4）设置占空比为90%时，得到的波形图如图15所示；

图15 占空比为90%的仿真图

仿真波形图从上到下的波形依次为IGBT门极触发脉冲Ug、IGBT电流IT、电感电流IL。电感电流连续，各个波形与图2的理论波形规律一致。

由仿真波形图可知，占空比越大，负载输出电压越大，调节时间越长。

由公式

S

on C T t D = （5） i c d U D U *= （6）

可得：

(1)当Dc=0.1，Ud 理论值Ud=10V ，仿真值UD=9.18V 。相对误差8.2%；

(2)当Dc=0.3，Ud 理论值Ud=30V ，仿真值UD=29.15V 。相对误差2.83%；

(3)当Dc=0.5，Ud 理论值Ud=50V ，仿真值UD=49.11V 。相对误差1.78%；

(4)当Dc=0.9，Ud 理论值Ud=90V ，仿真值UD=89.01V 。相对误差1.1%；

仿真所得数据与理论值相对误差符合设计要求。

5 总结

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。

通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。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。另外，在使用Protel软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

6 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, 2000

[2]丁道宏, 《电力电子技术》北京:航空工业出版社,1992

[3]张亮,郭仕剑,王宝顺《MATLAB7.x系统建模与仿真》北京:人民邮电出版社,2006

[4]赵良炳, 《现代电力电子技术基础》北京:清华大学出版社,1995

[5]石玉, 《电力电子技术题例与电路设计指导》北京: 机械工业出版社,2003