IGBT升压斩波电路设计纯电阻负载Word格式文档下载.docx
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它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。
在电力电子技术中,可控整流电路是非常重要的内容,整流电路是将交流电变为直流电的电路,其应用非常广泛。
工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置;
电气化铁道(电气机车、磁悬浮列车等)、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术;
各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电,可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
1.3
电力电子技术中的直流变化技术
直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中,如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。
从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。
由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压,所以直流斩波不仅能起到调压的作用,同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。
第二章
系统总体方案及主电路设计
2.1设计题目IGBT升压斩波电路设计(纯电阻负载)
设计要求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:
<
10%
2.2
系统的方案及其流程图
电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断,来完成整个系统的功能。
因此,一个完整的升压斩波电路也应包括主电路,控制电路,驱动电路和保护电路这些环节。
直流斩波电路一般主要可分为主电路模块,控制电路模块和驱动电路模块三部分成。
主电路模块,主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。
的大小。
控制电路模块,可直接用产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。
驱动电路模块,驱动电路把控制信号转换为电压信号加在IGBT控制端和公共端之间,用来驱动IGBT的开通与关断。
系统总体流程图如图2-1
图2-1系统总体流程图
2.3主电路的设计
升压斩波电路工作原理图及其波形图2-2所示
图2-2
升压斩波电路工作原理图及其波形图
2.4
参数的计算
根据设计要求,我选择大小为50v的直流电压源,选取升压斩波电路的占空比为30%。
因此,输出电压Uo=71.4v,输出功率P0=Uo2/R。
又因为要求输出功率为300W,可计算出负载电阻为17Ω。
电压控制电压源和脉冲电压源可组成功率开关的驱动电路。
在控制开关开通期间ton,电流从电源正极流出,经过电感从开关流回电源负极。
电容C向R供电,输出电压Uo上正下负。
电源电压Ui全部加到电感两端Ui=UL,在该电压作用下,电感电流iL线性增长。
在导通之间内,电感电流增量为:
在控制开关关断期间toff,iL经二极管流出,电感电压极性将变成左负右正,认为电感很大,iL不变。
这样,电源和电感同时给电容C和负载R供电,负载两端电压仍是上正下负。
电感电压UL=Ui–Uo<
0,电感电流iL线性减小。
在关断时间toff内,电感电流减小量的绝对值为:
当电路工作在稳态时,电感电流iL波形必然周期性重复,开关导通期间电感电流iL的增量等于开关断开时电感电流iL的减少量,即△iL+=△iL-,联立(2-1)(2-2)式可得输出电压:
由上式可知,α是一个小于1的数,故输出电压比输入电压大。
从能量守恒角度分析(假设电感足够大,电流平直),电路达到稳态时,电感在开关开通期间吸收的能量(UiIton)与开关关断期间释放的能量((Uo-Ui)Itoff)相等。
列出等式:
解得
下面确定电流连续的临界条件:
如果在T时刻电感电流iL刚好降到0。
则为电流连续与断续的临界工作状态。
此时△iL=2iL,升压斩波电路的输入输出功率分别为:
Pi=
Ui
IL、P0=Uo
Io
忽略损耗,有Pi=P0,于是
联立式(2-1)(2-4)(2-5)得临界电感值为
确定电容的计算
:
电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的能量相等,△Q=IoαT
则电压变化量
△Uo可决定脉动率。
计算Lc:
由式(2-7)知Lc=(R/2)α(1-α)2T,周期T可由开关频率5KHz得出T=2×
10-4s,因为这里占空比α的范围为10%~50%,这里取α=30%。
把Uo
、α、P0代入上式得出Lc=2.499×
10-4H,当L>
Lc时,工作在连续状态下。
电感越大时,电感电流越平直,可适当取较大的电感值。
计算C:
由式(2-9)知C=(UoαT)/(R△Uo),因为要求电压脉动率<
10%,这里取5%,计算△Uo=Uo×
5%=3.57V,代入上式计算出C=7.06×
10-5F,滤波电容越大,输出电压越平直,可适当取较大的电容值。
第三章
控制和驱动电路的设计
3.1控制电路设计
3.1.1控制电路方案选择
控制电路主要实现的功能是产生控制信号,用于控制斩波电路中主功率器件的通断,同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
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,称为频率调制或调频型;
(3)导通时间和周期T都可调,使占空比改变,称为混合型。
其中第一种是最常用的方法。
此次设计也采用PWM控制。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术,即通过一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需的波形。
这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所需的电压。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制,只是因为输入电压和所需的输出电压都是直流电压,因此脉冲既是等幅的,也是等宽的,仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
本次设计中,控制电路以SG3525为核心构成。
SG3525为美国SilicomGeneral公司生产的专用PWM控制集成电路,它采用衡频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源,斩波器的控制。
SG3525其内部包含精密精准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器等,实现PWM控制所需的基本电路,并含有保护电路,其电路图如下图:
图3SG3525电路图
3.1.2
SG3525的工作原理
SG3525的脚16
为基准电压源输出,精度可以达到(5.1±
1%)V,采用了温度补偿,而且设有过流保护电路。
脚6、脚7
内有一个双门限比较器,内设电容充放电电路,加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525
的振荡器,同时振荡器还设有外同步输入端(脚3)。
脚1
及脚2
分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端,该放大器是一个两级差分放大器。
通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。
通过调节R7,可在OUTA、OUTB两端输出两个幅度相等,频率相等,相位相差180°
,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。
3.2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直接驱动IGBT,因此需要外加驱动电路。
驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁,驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败,具体来讲IGBT的驱动要求动态驱动能力强,能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
否则IGBT会在开通及关断延时,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。
其次能向
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。
而且要具有栅压限幅电路,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。
最后当
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。
在本设计中,直接采用光电耦合式驱动电路,该电路双侧都有电源。
其提供的脉冲宽度不受限制,较易检测IGBT的电压和电流的状态。
另外它使用比较方便,稳定性比较好。
如图4所示,控制电路所输出的PWM信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离,再经过推免电路进行放大,从而把输出的控制信号放大以驱动IGBT。
为得到最佳的波形,在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
图4驱动电路
3.3
保护电路设计
升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能,如图5所示,均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入,从而起到调节保护作用。
同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能,例如,脚8软起动功能,避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击,可能造成的末级功率开关管的损坏。
图5电压和电流保护电路
第四章
系统仿真与分析
4.1
仿真软件Matlab简介
在科学研究和工程应用中,往往要进行大量的数学计算,其中包括矩阵运算。
这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行,而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。
目前比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。
MATLAB是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。
其中包括:
一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序,并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。
本次课程设计仿真便是采用MATLAB,利用其面向控制系统电气原理结构图,使用Power
System工具箱进行主电路的仿真与设计。
4.2
仿真模型的建立
IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。
采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图7所示。
图7IGBT升压斩波电路
4.3系统仿真结果及分析
4.3.1仿真结果
4.3.2仿真结果分析
1.电压端输入大小为Ui=50v的直流电
2.输出电压Uo
经IGBT升压斩波后输出直流电压理论计算值Uo=71.4v,由上面的波形图可以看出实验值约为69.5v与理论值基本符合,误差为2.66%
3.I0和I1
4.U0和I0
由功率P0=U0×
I0知,P0=69.5×
4.27=296.765w,误差为1.08%。
致
谢
通过这一个星期的电力电子技术课程设计使我收获颇多。
本课程设计中,我不仅对IGBT升压斩波电路从原理到实践上有了深刻的了解,更增强了我对电力电子技术这门课的了解。
在此次电力电力技术课程设计中,我自学了MATLAB软件在电力电子技术上的应用,进一步增强了我的自学能力。
同时,在本次设计过程中我也发现了自己许多方面的不足,对课上所学知识理解不够深刻,掌握得不够牢固。
使得自己在课程设计中多走了许多弯路,但这也迫使我不断地努力学习。
我相信自己在以后的学习和生活中能够取得更多的进步。
使我对于学习和实践有了很深的感触,我深刻的认识到:
作为一个大学生,动手能力和知识的掌握同样重要,只有两者兼备才能更好的应对学习及以后的工作。
在此次课程设计期间,首先要感谢的是我的指导老师翁志远老师。
通过老师给我们讲述用相关的软件进行设计,并在设计中给予了相关的指导。
以此课程设计为引,通过不断的理论知识学习和动手实践,我感觉自身的综合素质得到了很大程度上的提升,不仅让我们扩展了视野,更是对以前所学知识的一个综合检验。
从这次课程设计中,我进一步巩固和深化了所学的理论知识,为后续专业课学习和毕业设计打下了坚实的基础,也为努力把自己塑造成为一个专业功底扎实、知识结构完善、适应能力强的合格大学生指明了方向。
最后,还是要感谢老师的辛苦指导。
参考文献
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[5]康华光电子技术基础模拟电路部分(第五版)高等教育出版社
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- IGBT 升压 电路设计 电阻 负载
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