IGBT升压斩波电路的设计2要点.pdf

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1、1 1 设计要求与方案 1.1 设计要求 利用IGBT 设计一个升压斩波电路。 输入直流电压 U d =50V ， 输出功率 P=300W ， 开关频率为 5KHz ，占空比 10% 到50% ，输出电压脉率小于 10% 。 1.2 设计方案 根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1 所示。 图1 在图1结构框图中，控制电路用来产生IGBT 升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 与公共端之间， 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升压斩波电路工作。 控制电路中保

2、护电路是用来保护电路，防止电路产生过 电流、过电压现象而损坏电路设备。 主电路驱动电路 电源 触发电路 2 2 升压斩波电路设计方案 2.1 升压斩波主电路电路工作原理原理图 本设计为直流升压斩波（ boost chopper ）电路，该电路是本系统的核心。应 为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高， 开关时间小的大功率IGBT 管。在 IGBT 关断时给负载中电感电流提供通道，设 置了续流二极管 VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电 动机或带蓄电池负载等。 原理图如下图 1 所示： 图 1 主电路仿真图 左边 E 为输入直流 50V电压,

3、右边为 U0斩波电压输出。 IG为 SG3525输出的 PWM 斩波信号。 V为 IGBT ，VD为电力二极管， L为电感， C为电容， R为负载。 原理分析：首先假设电感L 值很大，电容 C值也很大。当 IG为高电平时， V 导通， 50V电源向 L 充电，充电基本恒定为, 同时电容 C上的电压向负载 R供 电，因 C值很大，基本保持输出电压 o u 为恒值，记为 o U。设 V处于通态的时间 为 on t，此阶段电感 L 上积储的能量为 1 on EI t。当 V 处于段态时 E和 L 共同向电容 C充电，并向负载R 提供能量。设V 处于段态的时间为 o t，则在此期间电感L 释放的能量为

4、 01 () off UE It。当电路工作于稳态时，一个周期T 中电感 L 积储的 3 onoff 0 offoff ttT UEE tt T off t E -1 1 E 1 U0 off t T 能量于释放的能量相等，即 101 () onoff EI tUE I t (2-1) 化简得 (2-2) 上式中的 off /1T t，输出电压高于电源电压。式（2-1）中 off /T t为升压比，调节 其大小即可改变输出电压 o U 的大小。 升压比，调节其即可改变 0 U。将升压比的倒数记作 ，即 和导通占空比，有如下关系： 1(2-3) 因此，式（ 2-2）可表示为： (2-4) 升压斩

5、波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。 在以上分 析中，认为 V 处于通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo 不变，但实际上 C 值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出 电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C 值足够大时，误差很小，基本可 以忽略。 4 2.2 触发电路的设计 电路主要用来驱动IGBT 斩波。产生 PWM 信号有很多方法，但归根到底不 外乎直接产生 PWM 的专用芯片、单片机、 PLC、可编程逻辑控制器等本电路采 用直接产生 PWM 的专用芯片 SG35

6、25.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电 阻电容，就能产生特定频率的PWM 波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出 PWM 波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM 控制。为了提高安 全性，该芯片内部还设有保护电路。 它还具有高抗干扰能力， 是一款性价比相当 不错的工业级芯片。 为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的 PWM 经过光电耦合之 后才送至驱动电路。其电路图如下图2 所示： 图 2 PWM 触发电路 工作原理：通过 R2、R3、C3 结合 SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振 荡器。此时形成脉冲信号，再将脉冲信号通过SG3525AN 的 OUTA、OU

7、TB 端 输出整流，送到光电耦合器去将信号放大。 5 2.3 触发脉冲的放大 脉冲的放大电路如图3 所示。 脉冲信号经过光电耦合器U2隔离输出，最后 经过 Q2放大输出到 IGBT的门极 g 图 3 脉冲放大电路 工作原理： 其产生的 PWM 信号由 OUTA、OUTB 输出，通过 PWM 触发电路调节 R7 可以改变占空比。输出的PWM 信号通过二极管 D6、D7 送至光电耦合器U2， 光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电 路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM 斩波电路。 6 2.4 驱动电路设计 2.4.1 驱动电路原理图 IGB

8、T 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

9、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。 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。 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 V

10、2 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 Rg 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

11、8V 左右， Vzi 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，uce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 7 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

12、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4 所示。 图 4 驱动电路原理图 8 2.4.2 驱动保护电路分析 保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。下面便来做 具体分析。 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

13、极出现过电压， 电阻 Rge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。 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

14、-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3 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,C6 为 100pF， 经过 5 us 后

15、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。 9 3 参数计算、电路设计及波形分析 3.1 参数选择和计算 根据设计要求，我选择选大小为50V的直流电压源，选取升压斩波电路的 占空比为 10%-50% 。因此，输出电压 55-100V，输出功率 2 o o U P R 。又因为要求

16、输 出功率为300W，可计算出负载电阻。 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。 在控制开关开通期间 on t，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 o U 上正下负。电源电压 U 全部加到电感两端 Li uU ，在该电压作用下， 电感电流线性增长。在导通之间内，电感电流增量 为： 0 on t iii Lon UUU idttT LLL 在控制开关关断期间 o t，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，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0 Lio uUU，电感电

17、流线性减小。在关断 时间 o t内，电感电流减小量的绝对值为： 1 on T oioi L t UUUU idtT LL 当电路工作在稳态时， 电感电流波形必然周期性重复， 开关导通期间电感 电流的增量等于开关断开时电感电流的减少量，即 LL ii 联立式可得输出电压： 1 1 oi UU 由上式可知，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（ ion U It）与开关关断期间释放的能量（() oioff UUIt） 相等。列出等式：() ionoioff U ItUUIt解得 0 1 1 i

18、 UU 下面确定电流连续的临界条件： oo o ITUTQ U CCRC 10 如果在T时刻电感电流刚好降到 0。 则为电流连续与断续的临界工作状态。 此时2 L ii 升压斩波电路的输入输出功率分别为： iiL PU I 、 ooo PU I 忽略损耗，有 io PP ，于是 联立式式得临界电感值为 电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等， o QIT 则电压变化量 , 则 o o UT C R U 要求脉动率10%，取10% , o U 可决定脉动率。 若取其他占空比时各参数值的计算方法与此一致，不同占空比时各个参数 的值如表 1 所示。 表 1 不同占空比时各个参数的值 占空比

19、 输出电压U0 （V） 负载 R（ ）电感值（ H）电容值 C（F） 10% 55 10 8 10 -5 2.0 10 -5 30% 78 20 2.94 10 -4 6 10 -5 50% 100 33 3.75 10 -4 1.0 10 -4 0 1 1 Loo i U III U 2 (1) 2 C R LT 11 3.2 仿真电路设计 用 Multisim软件画出电路图如下： 图 5 仿真电路图 在对应的元器件上修改参数， 完成参数的设置。 对于在不同的占空比时， 其 他参数也不一样，修改的方式都有一样。完成参数的设置，就可以开始仿真。根 据电路运行过程中产生的波形进行结果分析。 12

20、 3.3 仿真结果 占空比通过设置脉冲电压源参数来控制: 图 6 占空比调节图 通过脉冲电压源实现产对IGBT的信号脉冲，实现电路在不同占空比下的开 关关断，以便得到升压的电压。以下是各占空比下的仿真结果： （1） 当占空比为 =10% 时，输入直流电压Ud=50V，得到输出直流电压 Uo=55V 。此时负载电阻为R=10，将电感取值为4mH ，电容取值为20uF，从示波器 上观察输出电压 Uo大小及仿真结果如下： 13 图 7 图 8 14 图 9 图 10 由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为50V时， 在纯电阻负载 情况下，占空比选择10% 时，得到的输出电压的平均值近似55V

21、。得到的输出功 率的平均值近似为300W ，这满足电路所需的要求。且从波形图中可以看出，输 出的电压电流波形的形状是一致的，这满足纯电阻的要求。并且波形是连续的， 符合理论要求。 15 （2） 当占空比为 =30% 时，输入直流电压Ud=50V，得到输出直流电压 Uo=78V 。此时负载电阻为R=20，将电感取值为4mH ，电容取值为60uF，从示波器 上观察输出电压 Uo大小及仿真结果如下： 图 11 图 12 16 图 13 由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为50V时， 在纯电阻负载 情况下，占空比选择 30% 时，得到的输出电压的平均值近似78V 。得到的输出功 率的平均值近

22、似为300W ，这满足电路所需的要求。且从波形图中可以看出，输 出的电压电流波形的形状是一致的，这满足纯电阻的要求。 （3） 当占空比为 =50% 时，输入直流电压Ud=50V，得到输出直流电压 Uo=100V 。此时负载电阻为 R=30，将电感取值为4mH，电容取值为80uF，从示波器 上观察输出电压 Uo大小及仿真结果如下： 图 14 17 图 15 图 16 由以上仿真结果图得到的波形可以看出在输入电压为50V时， 在纯电阻负载 情况下，占空比选择90% 时，得到的输出电压的平均值近似100V 。得到的输出 功率的平均值近似为300W ，这满足电路所需的要求。 18 3.4 仿真结果分析

23、 由仿真得到的波形可以看出在输入直流电压为50V 时，在纯电阻负载情况 下且不同占空比时， 得到的输出电压的平均值都不一样。但是得到的输出功率的 平均值都近似为 300W， 这点满足电路设计所需的要求。 且从波形图中可以看出， 无论占空比有怎么变化， 输出电压的波形的形状始终是一致的，这满足纯电阻的 要求。并且波形是连续的，符合理论要求。 由仿真图可以看得到，当占空比=10%时，输出电压为54.5V；当占空比 =30%时，输出电压为 77.4V； 当占空比=50%时，输出电压为 92.4V。这与 理论计算的结果差不多是一致的，说明这此仿真结果是正确的， 符合要求输入直 流电压 U d =50V

24、，占空比 10% 到 50% ，开关频率为 5KHz ，输出功率 P=300W 的基本 要求。 19 致谢 回顾起此次的电力电子课程之IGBT升压斩波电路设计，感慨颇多，它使我 有了很多的心得体会，可以说这次IGBT升压斩波电路设计是在自己用心努力和 在老师的精心指导下共同完成的。 在两个星期的日子里， 可以说自己每天都充满着压力与忙碌，自己也的确从 此次安排的课程设计中学到了很多东西。设计过程中， 因为是第一次做， 难免会 遇到各种各样的问题。 在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的 知识理解得不够深刻， 掌握得不够牢固。 通过查阅大量有关资料， 并与同课题同 学互相讨论，交流经

25、验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师， 使自己经历了不少艰辛， 但收获同样巨大， 学到了不少知识。 通过本次课程设计 让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了 电力电子这门学科的重要性。 通过这次设计， 我还发现课本上的理论知识和实践 还是有一定的差别， 理论知识要应用到实践中要经过仔细地思考和多次尝试，只 有这要才能达到理论联系实践的效果。如果不是通过课程设计， 我们的知识面可 能一直停留在理论的层面。 最后我要感谢那些给予我帮助的老师和同学们，没有他们的耐心帮助， 本次 课程设计将很难完成。 20 参考文献 1王兆安，黄俊主编电力电子技木 第四版北京：机械工业出版社， 2004 年 1 月 2 王云亮主编电力电子技术第一版北京：电子工业出版社，2004 年 8 月 3 梁廷贵主编现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册北京：科学技 术文献出版社， 2002年 2 月