电力电子技术课程设计IGBT升降压斩波电路设计 (1)文档格式.docx

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本文首先比较了两种具有升降压功能的DC／DC变换电路，具体地分析了两种DC／DC变换器的设计（拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计），详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，通过MATLAB软件中的Simulink部分建模仿真，最后给出了测试结果。

关键词：

直流斩波；

升降压；

IGBT；

全控型

目录

目录 1

1设计任务要求 2

1.1设计任务2

1.2设计要求2

2方案选择 3

2.1方案一3

2.2方案二3

3电路设计 5

3.1主电路设计5

3.2驱动电路设计6

3.3保护电路8

4仿真控制 9

5心得体会 11

参考文献 12

附录1程序清单 13

附录2元件清单 14

答辩记录 15

1设计任务要求

1.1设计任务

IGBT升降压斩波电路设计（纯电阻负载）

设计条件：

（1）输入直流电压，Ud=50V；

（2）输出功率：

300W

（3）开关频率5KHZ

（4）占空比10%-50%

（5）输出电压脉率：

小于10%

1.2设计要求

1，分析题目要求，提出2-3种实现方案，比较并确定主电路结构和控制结构方案；

2，设计主电路原理图，触发电路原理图，并设置必要的保护电路；

3，参数计算，选择主电路及保护电路元件参数

4，利用仿真软件MATLAB等进行电路优化；

5，最好可以建模并仿真完成相关的设计电路。

2方案选择

2.1方案一

该DC／DC变换器为前后级串联结构，前级是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R构成降压变换电路，后级是由2T、2D、L、C构成升压变换电路，其中2D、L、C均出现在前、后级变电路中。

采用PWM方式控制两个主开关管3T、2T存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。

为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。

为此增加辅助开关管1T，且3T由NPN型改为PNP型，显然1T、2T是共地的，1T、3T是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。

这样，原本通过控制3T、2T来控制电路的工作状态，现在是通过1T、2T来控制，1T称为降压斩波辅助开关，2T称为升压斩波主开关、3T称为降压斩波电路。

其电路图如图2.1所示:

图2-1原理图

2.2方案二

该变换器的结构是运用了全控型器件IGBT，其工作原理是：

当V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。

V关断时，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

电路图如图2.2。

（加书上原理图）

图2-2原理图

方案比较：

方案一虽然实现了升降压,但是利用开关控制升降压的变换，而在方案二中直接采用全控型器件IGBT，利用IGBT的通断控制升降压的变换，电路比较简单，而且容易操作。

因此，在设计中我们选择了方案二来实现升降压斩波控制。

3电路设计

3.1主电路设计

我们最终采用的主电路图是第二种方案。

图3-1主电路

设电路中电感L很大，电容C也很大，使得电感电流iL和电容电压即负载电压uO基本为恒值。

该电路的基本工作原理是：

当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为il，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。

同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

之后使得V关断，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

0TULdt=0（3-1）

当V处于通态期间，uL=ud；

而当V处于断态期间，uL=-uo。

于是:

Ud∙ton=Ud∙toff（3-2）

所以输出电压为：

Uo=tontoff∙Ud=tonT-ton∙Ud=α1-α∙Ud（3-3）

当输出端电压恒定且电流连续时，

电感电流连续的临界条件：

Lc=R2Dc（1-Dc）2Ts（3-4）

连续模式时的电容值：

C=VoDcTsR∆Uo=IoDcTs∆Uo（3-5）

其中纹波电压为∆U0，周期为Ts。

负载电阻R=PoUO2（3-6）

其中Po为输出功率

根据设计要求，开关频率5KHZ，则开关周期时间为0.2ms。

另设电压脉率为10%，作为仿真时电感电阻取值时的依据。

3.2驱动电路设计

由于IGBT是全控型器件，这给了我们利用“软件+驱动电路”的方法去实现对IGBT的开通和关断。

通过对PWM信号的调制，实现对IGBT通断的控制。

控制框图如下：

图3-2驱动电路控制框图

在这里，我利用单片机写程序输出PWM信号。

这里的程序可以通过独立按键很好的调整占空比的大小。

PWM控制程序如附录1所示。

软件流程图如下

图3-3软件流程图

51单片机作为一款简单有很廉价的控制芯片，在这里被用来作为控制PWM信号的产生和输出，我们采用了Atmel公司生产的AT89C51单片机。

其工作频率为12MHZ，我们通过定时器中断的方式来输出周期为0.02ms的PWM波。

图3-4AT89C51芯片模型

IGBT为电压驱动型器件，因而需要专用的混合集成驱动器，这里我们采用三菱公司生产的M57962驱动模块。

其技术指标如下：

特点：

单管大功率IGBT模块驱动器。

M57962的改进型，管脚与M57962完全兼容，缺省参数也基本相同，可以直接代换。

可按默认值直接使用，也可根据需要调节保护盲区区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间。

应用：

可驱动IGBT（300A/1200V或600A/600V）一只

图3-5M57962结构图

图3-6M57962外部接线图

考虑到单片机I/O口的输出信号电压可以达到5V，而驱动模块M57962的原端输入电压要求为5V，因此可以直接将单片机PWM输出口和M57962的信号输入端13连接。

输出端5的PWM信号可以被抬升至到15V，由于IGBT的栅极-漏极开通电压为12V至18V，因此这时从M57962模块输出的信号可以控制IGBT的关断。

3.3保护电路

缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。

关断缓冲电路：

又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。

开通缓冲电路：

又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

在无缓冲电路的情况下，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。

为了防止IGBT被毁坏，我们需要在IGBT上加关断缓冲电路。

缓冲电阻取10kΩ，电容仿真取10000uF。

图3-7IGBT缓冲保护

晶闸管开通时的di/dt很大，我们需要加开通缓冲电路。

晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。

缓冲电阻取500Ω，电容仿真取0.25uF。

图3-8二极管缓冲保护

4仿真控制

通过之前电路方案的选择和元件值的计算，我们利用MATLAB软件建立了仿真模型。

图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型。

图4-1由IGBT构成的Boost-Buck电路模型

负载输出电压仿真结果如下：

图4-2（a）占空比为50%时负载的波形

此时L=1.9e-4，C=1.2e-4，R=8.33。

图4-2（b）占空比为80%时负载的波形

此时L=5.3e-4，C=1.2e-5，R=133.333。

图4-2（c）占空比为20%时负载的波形

此时L=0.333e-4，C=7.68e-4，R=0.5208333。

当占空比为50%时，此时电路为临界状态，理论输出电压应该为50V,由图6（a）看出，实际输出电压在47V到53V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；

当占空比为80%，此时电路为升压状态，理论输出电压应该为200V，由图6（b）看出，实际输出电压在180V到200V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；

当占空比为20%，此时电路为降压状态，理论输出电压应该为12.5V，由图6（b）看出，实际输出电压在12.3V到12.6V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围。

5心得体会

此次电力电子课程设计，我的任务是绘制保护电路，驱动电路以及使用MATLAB软件中的Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型。

通过仿