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1、华北科技学院毕业设计（论文）目录综 述4Summary6第1章 蓄电池充电特性及充电技术现状91.1蓄电池充电特性91.2蓄电池充电过程9第二章 IGBT特性102.1 IGBT的基本结构102.2 IGBT的工作原理132.3 IGBT的工作特性132.3.1 静态特性132.3.2 动态特性142.4 IGBT的擎住效应与安全工作区152.4.1 擎住效应152.4.2 安全工作区162.5 栅极特性172.6 栅极串联电阻及栅极驱动波形的上升、下降速率192.7 IGBT的驱动电路212.7.1 IGBT 的驱动与保护技术212.7.2 驱动电路的要求222.7.3 模块驱动中对电源的要
2、求232.8 驱动电路的种类232.8.1 采用脉冲变压器隔离驱动IGBT232.8.2 采用光耦合器等分立元器件驱动IGBT242.8.3 专用光耦合器等分立元器件驱动IGBT242.9 IGBT 模块保护252.9.1 IGBT的过电流保护252.9.2 IGBT的过压保护252.9.3 IGBT的关断缓冲吸收电路252.9.4 缓冲电路的基本结构26第3章 高频变压器特性28第4章 DC/DC变换原理294.1 一般情况294.2 工作周期29第5章 元器件的选择及参数计算305.1 关键元器件的选择305.2 IGBT的选择305.3 次级快恢复整流二极管的选择315.4 缓冲电路的计
3、算325.5 高频变压器的设计325.5.1 AP法公式推倒325.5.2 变压器视在功率的确定345.5.3 窗口使用系数的确定355.5.4 磁心结构常数355.5.5 AP的计算365.6 三相全控桥整流电路的计算385.7 滤波电容、电感的计算395.7.1支撑电容C1的计算395.7.2 滤波LC的计算39第6章 散热计算396.1 开关管IGBT散热计算406.1.1 功率器件热性能的主要参数406.1.2 功率器件热设计406.1.3 散热计算406.2 快恢复二极管散热计算426.3 散热器的选取42第7章充电器原理及硬件设计437.1 充电器主电路硬件设计437.1 充电器工
4、作原理43第8章 MATLAB仿真448.1 MATLAB的概况448.2 MATLAB产生的历史背景458.3 MATLAB的语言特点468.4 SIMULINK概况478.5 SIMULINK仿真48结论51参考文献51致 谢52矿用铅酸蓄电池组高频智能充电器主电路的研究设计综述：本课题以矿用铅酸蓄电池组高频智能充电器实际科研课题为背景，可以作为实际科研项目的一个功能模块。蓄电池是矿厂在井下必不可少的能源，省去电缆的传输，减少危险的发生，方便生产，保障安全。高频智能充电器缩小了体积，运输方便，可以随时给蓄电池补充能量。并对充电电压和充电电流及电池温度进行着检测，判断蓄电池是否充满，是否发生
5、故障，保证充电安全。基于这些优点，智能充电器广泛应用于矿厂、现代工业的各个行业。因此，设计矿用铅酸蓄电池组高频智能充电器是十分必要的。铅酸蓄电池具有维护简单、价格低廉、供电可靠、电压稳定、使用寿命长等优点，因此广泛应用在矿厂、国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门；还可以作为汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源；也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。尤其在环境恶劣的矿厂，蓄电池是必需品，它不仅能保证人身安全，还很方便省去了电缆运输带来的不便。如果蓄电池没电，那么人们最先想到的就是蓄电池充电器。充电器是蓄电池的源泉，基于此，本文提出了一种矿
6、用铅酸蓄电池组充电器主电路的设计方案，采用先进的三段式充电控制方法，有效地提高充电效率，延长电池寿命。 随着电力电子变换技术的发展，使得各种各样的电力电子器件得到了迅速的发展。20世纪80年代，为了给高电压应用环境提供一种高输入阻抗的器件，有人提出了绝缘门极双极型晶体管（IGBT）。在IGBT中，用一个MOS门极区来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件优越通态特性相结合的非常诱人的器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大的优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管间，可正常工作于几十kHz频率范围内
7、，故在较高频率的大、中功率应用占据了主要地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅射极间施加十几伏直流电压时，只会有毫微安级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅射极间存在着较大的电容量（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需提供数安培的冲放电电流，才能满足它开通和关断的动态要求，使得它的驱动电路也必需输出一定的峰值电流。电路的设计标准为输入电压380V，输出电压100V250V连续可调，输出最大电流80A，工作频率：20kHz，温升：25，工作环境条件:2570。本文首先介绍了蓄电池充电特性、IGBT特性及高频变压器特性，紧接着分析了DC/DC变换的工作原理，然后介绍了元器件
8、的选型及参数计算，分析电路原理设计出原理图，并且阐述了蓄电池工作原理，最后用MATLAB中的SIMULINK进行结果的仿真。对于蓄电池充电的原理问题，本文采用了三段式充电的原理即快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段区别于传统定电压充电和定电流充电方式，这种方式提高电池的充电效率，缩短充电时间，并能有效延长电池寿命。这种三段式的充电方式通过C8051单片机进行智能控制。充电器主电路具体控制方法为首先采用三项全桥整流电路将380V交流电变成直流电，经过支撑电容滤波后送入逆变电路，逆变电路采用单项全桥逆变电路，逆变器件选用IGBT开关管，逆变后的电压送入高频变压器的输入端，然后高频变压器的输出端经过
9、全波整流电路，LC滤波电路后给蓄电池充电。高频变压器的参数设计方法有两种即AP法和KG法，本文采用AP法设计，并详细的介绍了AP法的公式推倒和实际计算方法。最后，主电路的仿真采用MATLAB中的SIMULINK进行仿真实验，仿真实验结果表明，本文设计的蓄电池充电器主电路达到了预期的目标。关键词:IGBT;DC/DC变换;高频变压器;MATLABMineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger main circuit research designSummary: Thi
10、s topic take the mineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger actual scientific research topic as a background,can take the ac- tual scientific research item a function module. The accumulator cell is the mine in the mi- ne shaft essential energy, omits the
11、electric cable the transmission, reduces the dangerous the occur rence, facilitates the production, the safeguard security. The high frequency intel- ligent battery charger reduced the volume, the transportation has been convenient, might give the accumulator cell supplementary energy as necessary.
12、And is carrying on the exam- ination to the charging voltage and the charging current and the battery temperature, judges the accumulator cell whether fills, whether breaks down, guarantee charge security.Based on these merits, the intelligent battery charger widely applies in the mine, modern indus
13、try each profession. Therefore, the design mineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger is extremely essential.The lead-acid battery has the maintenance simply, the price inexpensive, the power s- upply reliable, voltage regulation, the service life long and
14、 so on the merits, therefore wide- ly applies in the mine, the national defense, the correspondence, the railroad, the transport- ation, the industry and agriculture production department; Also may take the automobile,t- he airplane, the steamboat and so on the motor vehicle or power sets start powe
15、r source;A- lso serves as some electric appliances and the control loop work power source in each kind of need uninterrupted power supply electronic installation and in the portable instrument measuring appliance. In the environment bad mine, the accumulator cell is especially the essential item, no
16、t only it can guarantee the personal safety, but also has very conveniently omitted inconvenient which the electric cable transportation brings.If the accumulator cell does not have the electricity, then the people think are the battery chargers first.The battery charger is the accumulator cell foun
17、tainhead, based on this, this article proposed one kind of mineral product plumbous acid battery unit battery charger main circuit design proposal, uses the advanced triadic charge control method, enhances the charge efficiency effectively, lengthens the battery life.Along with the electric power el
18、ectron transformation technology development,enabl- ed various electric power electronic device to obtain the rapid development.1980s, in order to provides one kind of high input impedance to the high voltage using the environment the component, some people proposed insulation gate extremely double
19、pole transistor (IGBT). In IGBT, controls the width base extremely with a MOS gate area the high voltage double pole transistor electric current transmission, this produced one kind to have the power MO- SFET high input impedance and the double pole component superiorly passes the extreme- ly attrac
20、tive component which condition the characteristic unified.It both has the character- istic which MOSFET easy to actuate, and has the power transistor voltage, the current cap- acity big merit. Its frequency characteristic is situated between MOSFET and between the power transistor, but normal work i
21、n several dozens kHz frequency range, therefore in the high frequency big, the middle application of power occupied the main status.IGBT is the voltage control component, exerts several volt DC voltages when between its grid - emitter, only can have the nanoampere level to leak the electric current
22、to flow, basically consumed power. But between the IGBT grid-emitter has the great electric capacity (several thousand to up to ten thousand pF), along must provide several amperes in the actuation pulse volta- ge rise and the drop to flush the discharging current, can satisfy the dynamic request wh
23、ich it clears and shuts off, causes its actuation electric circuit also essential output certain peak value electric current.Electric circuit design standard for input voltage 380V, output voltage 100V-250V continuously adjustable, output maximum current 80A, operating frequency: 20kHz,temp- erature
24、 rise: +25, working conditions condition: - 25+70.This article first introduced the battery charging characteristic, the IGBT characteristic and the high-frequency transformer characteristic, the following closely has analyzed the DC/DC transformation principle of work, then introduced the primary d
25、evice shaping and the parameter computation, analyzes the circuitry to design the schematic diagram, and ela- borated the accumulator cell principle of work, finally uses in MATLAB SIMULINK to carr- y on the result the simulation.Regarding the battery charging principle question, this article used t
26、he triadic charge principle namely rapid charge rate, has made up the charge, the trickling charge three stage distinguishes in the tradition decides the voltage charge and decides the electric current ch- arge way, this way enhanced the battery the charge efficiency, reduced the duration of char- g
27、ing, and could lengthen the battery life effectively.This triadic charge way carries on the i- ntelligent control through the c8051 monolithic integrated circuit. The battery charger main circuit concrete control method for first uses three item of entire bridge leveling circuit to turn the 380V alt
28、ernating current the direct current, enters the contravariant electric circuit after the support electric capacity filter evacuation, inverts the electric circuit to use the sin- gle item entire bridge inversion electric circuit, inverts the component to select the IGBT switching valve, after the co
29、ntravariant voltage sends in the high-frequency transformer the input end, then high-frequency transformer out-port after full-wave rectification electric ci- rcuit, after LC filter circuit to battery charging. The high-frequency transformer parameter design method has two kinds is the AP law and th
30、e KG law, this article uses the AP law de- sign, and the detailed introduction AP law formula has overthrown with the actual comput- ational method Finally, the main circuit simulation uses in MATLAB SIMULINK to carry on the simulation experiment, the simulation experiment result indicated, this art
31、icle designs the battery charger main circuit has achieved the anticipated goal.Keyword: IGBT; DC/DC transformation; High-frequency transformer; MATLAB第1章 蓄电池充电特性及充电技术现状 1.1 蓄电池充电特性容量和寿命是蓄电池的重要参数，蓄电池的额定容量（C）通常作为电池充放电速率的单位，例如100Ah的蓄电池，采用20A电流充电时，充电速率为C/5。不正确的充电方式不仅会降低电池的储能容量，还会缩短电池的使用寿命。上世纪60年代末期，美国科
32、学家马斯（Mascc）提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线如图1所示，其充电电流轨迹为一条呈指数规律下降的曲线。图1 蓄电池可接受充电电流曲线传统的充电方式无论是定电压充电还是定电流充电均不能提高电池的充电效率，而依据图2充电曲线提出的三段式充电理论则可以大大提高电池的充电效率，缩短充电时间，并能有效延长电池寿命。三段式充电采用先恒流充电，再恒压充电，最后采用浮充进行维护充电。一般分为快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段如图2所示。 1.2 蓄电池充电过程(1)快速充电阶段：用大电流对电池进行充电以迅速恢复电池电能，充电速率可以达1C以上，此时充电电压较低，但会限制充电电流在一定
33、数值范围之内。 (2)补足充电阶段：相对于快速充电阶段，补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时，电池并未完全充足，还需加入补足充电过程，补足充电速率一般不超过0.3C，因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高，所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升，并且恒定在一定范围之内。 (3)涓流充电阶段：在补足充电阶段后期，当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后，开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。 图2 充电曲线图第2章 IGBT特性2.1 IGBT的基本结构 绝缘栅双极晶体管本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P型层。根据国际电工
34、委员会IEC/TC（CO）1339文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 图3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-区，沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），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
35、漏极。 为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC 规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。 图3 N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构IGBT 的结构剖面图如图4所示。它在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT 是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 图4 IGBT的结构剖面图由图4可以看出，IGBT相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图5所示。图中Rff
36、是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 N沟道IGBT的图形符号有两种，如图6所示。实际应用时，常使用图6示的符号。对于P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图7所示。图5 IGBT的简化等效电路 图6 N-IGBT的图形符号 图7 P-IGBT的图形符号IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N-区进行电导调制，减少N-区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体
37、管的基极电流被切断，IGBT即关断。 正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNPNPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在N-层作电导率调制，提高电流密度。这是因为从P+基板经过N+层向高电阻的N-层注入少量载流子的结果。IGBT的设计是通过PNPNPN晶体管的连接形成晶闸管。2.2 IGBT的工作原理 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟
38、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，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-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-层的空穴（少子），对N-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。 2.3 IGBT的工作特性 2.3.1静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和 开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs
39、越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与UGS呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT的开关特性是
40、指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh （2-1） 式中 Uj1JI结的正向电压，其值为 0.7 IV ； Udr扩展电阻Rdr上的压降； Roh沟道电阻。 通态电流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos (2-2） 式中Imos流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V 的 IGBT通态压降为
41、23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2.3.2 动态特性 IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)、tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图8所示 图8 开通时IGBT的电流、电压波形IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，tr
42、v为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图9中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) （2-3） 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 图9 关断时IGBT的电流、电压波形 2.4 IGBT的擎住效应与安全工作区 2.4.1擎住效应 在分析擎住效应之前，我们先回顾一下IGBT的工作原理（这里假定不发生擎住效应）。 (1)当Uce0时,J3反偏，类似反偏二极管，IGBT反向阻断； (2)当Uce0时，在UcUth的情况下，沟道未形成，IGBT正向阻断；在 Uo Uth 情况下，栅极
43、的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入N-漂移区，漂移到J3结，此时J3结是正偏，也向N-区注入空穴，从而在N-区产生电导调制，使IGBT正向导通。 (3)IGBT的关断。在IGBT处于导通状态时，当栅极电压减至为零，此时Ug0Uth,沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使Ic有一个突降。但由于N-区注入大量电子、空穴对,IC不会立刻为零，而有一个拖尾时间。 IGBT为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图10所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rbr，在此电阻上P型体区的横向空穴会产生一定压降，对J3结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大，V
44、2不起作用，当Id大到一定程度时，该正偏置电压足以使V2开通，进而使V2和V3处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。IGBT 发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高损耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值Idm，当IdIdm时便会产生擎住效应。 图10 具有寄生晶体管的IGBT等效电路在IGBT关断的动态过程中，假若dUds/dt过高，那么在J2结中引起的位移电流 Cj2（dUds/dt）会越大，当该电流流过体区扩展电阻Rbr时，也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止 IGBT 发生擎住效
45、应，为此可限制 Idm 值，或者用加大栅极电阻Rg的办法延长IGBT关断时间，以减少dUds/dt值。 值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，Id值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。 2.4.2安全工作区 安全工作区（SOA）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。IGBT开通时的正向偏置安全工作区（FBSOA），由电流、电压和损耗三条边界极限包围而成。最大漏极电流Idm是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源电压Udsm是由IGBT中晶体管V3的击穿电压所确定，最大损耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图11所示。 IG
46、BT的反向偏置安全工作区（RBSOA）如图11所示，它随IGBT关断时的dUds /dt而改变，dUds/dt越高，RBSOA越窄。图11 IGBT的安全工作区a）IGBT的正向偏置 b）IGBT的反向偏置2.5 栅极特性IGBT的栅极通过一层氧化膜与射极实现电隔离。由于此氧化层很薄，其击穿电压一般只能达2030V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅集极间的电容耦合，也会产生是氧化层损坏的振荡电压。为此通常采用绞线来传送驱动信号，以减小连线电感。在栅极连线中串联小阻值电阻或小磁环也可以抑制不希望的振荡电
47、压。在栅射极间并联反串联的稳压管或旁路电阻也是吸收栅极过电压的有效措施。 IGBT的栅射和栅集极间存在着电容Cge和Cgc，在它的射极回路中存在着漏电感Le，由于这些分布参数的影响，使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形产生了较大的变化、并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。这可以用带续流二极管的电感负载开关电路（见图12）来的到验证。图12所示为IGBT的开关电路和开通波形。在t0时刻栅极驱动电压开始上升，此时影响栅极电压Uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，栅极电压上升较快。在t1时达到IGBT的栅极门槛电压，集电极电流开始上升。从此时开始有两个原因使Uge波形偏离原有轨迹。图12 IGBT的开关电路和开通波形首先是射极杂散电感Le上的感应电压，此电压随着集电极电流ic的增加而增大，他它抵消了外加的栅极驱动电压，并且降低了直接加在栅射端的电压，Uge的上升率。这是