IGBT升降壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱 IGBT升降壓斬波電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師職稱 評(píng) 分 完成日期：2015年1月13日摘 要直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器，諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。升降壓斬波電路綜合了升壓電路和降壓電路的優(yōu)點(diǎn)，可以在一個(gè)電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，簡(jiǎn)化了電路結(jié)

2、構(gòu)。而全控型器件IGBT的使用為外部自動(dòng)控制提供了巨大便利，因此其使用范圍在直流斬波電路中很廣泛，對(duì)其做研究有很好的使用意義。本文首先比較了兩種具有升降壓功能的DCDC變換電路，具體地分析了兩種DCDC變換器的設(shè)計(jì)(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲(chǔ)能電感參數(shù)設(shè)計(jì))，詳細(xì)地闡述了該DCDC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)，通過MATLAB軟件中的Simulink部分建模仿真，最后給出了測(cè)試結(jié)果。關(guān)鍵詞：直流斬波； 升降壓； IGBT； 全控型目錄目錄11 設(shè)計(jì)任務(wù)要求21.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 21.2 設(shè)計(jì)要求 22方案選擇32.1方案一 32.2方案二 33 電路設(shè)計(jì)53.1 主電路設(shè)計(jì) 53.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 6

3、3.3保護(hù)電路 84 仿真控制95心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄1 程序清單13附錄2 元件清單14答辯記錄151 設(shè)計(jì)任務(wù)要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)IGBT升降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）設(shè)計(jì)條件：（1）輸入直流電壓，Ud=50V； （2）輸出功率：300W （3）開關(guān)頻率5KHZ （4）占空比10%-50% (5) 輸出電壓脈率：小于10%1.2 設(shè)計(jì)要求1，分析題目要求，提出2-3種實(shí)現(xiàn)方案，比較并確定主電路結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)方案；2，設(shè)計(jì)主電路原理圖，觸發(fā)電路原理圖，并設(shè)置必要的保護(hù)電路；3，參數(shù)計(jì)算，選擇主電路及保護(hù)電路元件參數(shù)4，利用仿真軟件MATLAB等進(jìn)行電路優(yōu)化；5，最好可以建模并仿真完

4、成相關(guān)的設(shè)計(jì)電路。2方案選擇2.1方案一該DCDC變換器為前后級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級(jí)是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R構(gòu)成降壓變換電路，后級(jí)是由2T、2D、L、C構(gòu)成升壓變換電路，其中2D、L、C均出現(xiàn)在前、后級(jí)變電 路中。采用PWM 方式控制兩個(gè)主開關(guān)管3T、2T存在一定的困難，因?yàn)樗鼈兊目刂贫瞬还驳?。為了?shí)現(xiàn)兩路控制信號(hào)共地，也只能選用功率晶體管。為此增加輔助開關(guān)管1T，且3T由NPN型改為PNP型，顯然1T、2T是共地的，1T、3T是同步開關(guān)的，這就實(shí)現(xiàn)了兩路控制信號(hào)的共地。這樣，原本通過控制3T、2T來控制電路的工作狀態(tài)，現(xiàn)在是通過1T、2T來控制，1T稱為降壓斬波輔助開關(guān)，2T

5、稱為升壓斬波主開關(guān)、3T稱為降壓斬波電路。其電路圖如圖2.1所示:圖2-1原理圖2.2方案二該變換器的結(jié)構(gòu)是運(yùn)用了全控型器件IGBT，其工作原理是：當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1 ，同時(shí)C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V關(guān)斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放， 電流為i2 ，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性 斬波電路。電路圖如圖2.2。（加書上原理圖）圖2-2原理圖方案比較：方案一雖然實(shí)現(xiàn)了升降壓,但是利用開關(guān)控制升降壓的變換，而在方案二中直接采用全控型器件IGBT，利用IGBT的通斷控制升降壓的變換，電路比較簡(jiǎn)單，而且容易操作。因此，在設(shè)計(jì)中我們選

6、擇了方案二來實(shí)現(xiàn)升降壓斬波控制。3 電路設(shè)計(jì)3.1 主電路設(shè)計(jì)我們最終采用的主電路圖是第二種方案。圖3-1 主電路 設(shè)電路中電感L很大，電容C也很大，使得電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uO基本為恒值。 該電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲(chǔ)存能量，此時(shí)電流為il，同時(shí)C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。之后使得V關(guān)斷，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即 0TULdt=0 （3-1）當(dāng)

7、V處于通態(tài)期間，uL=ud；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是: Udton=Udtoff （3-2）所以輸出電壓為：Uo=tontoffUd=tonT-tonUd=1-Ud （3-3）當(dāng)輸出端電壓恒定且電流連續(xù)時(shí)，電感電流連續(xù)的臨界條件：Lc=R2Dc(1-Dc)2Ts （3-4）連續(xù)模式時(shí)的電容值： C=VoDcTsRUo=IoDcTsUo （3-5）其中紋波電壓為U0，周期為Ts。負(fù)載電阻 R=PoUO2 （3-6）其中 Po為輸出功率根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)頻率5KHZ，則開關(guān)周期時(shí)間為0.2ms。另設(shè)電壓脈率為10%，作為仿真時(shí)電感電阻取值時(shí)的依據(jù)。3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于IGBT是全

8、控型器件，這給了我們利用“軟件+驅(qū)動(dòng)電路”的方法去實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的開通和關(guān)斷。通過對(duì)PWM信號(hào)的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT通斷的控制?？刂瓶驁D如下：圖3-2 驅(qū)動(dòng)電路控制框圖在這里，我利用單片機(jī)寫程序輸出PWM信號(hào)。這里的程序可以通過獨(dú)立按鍵很好的調(diào)整占空比的大小。PWM控制程序如附錄1所示。軟件流程圖如下圖3-3 軟件流程圖51單片機(jī)作為一款簡(jiǎn)單有很廉價(jià)的控制芯片，在這里被用來作為控制PWM信號(hào)的產(chǎn)生和輸出，我們采用了Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。其工作頻率為12MHZ，我們通過定時(shí)器中斷的方式來輸出周期為0.02ms的PWM波。圖3-4 AT89C51芯片模型IGBT為電壓驅(qū)動(dòng)型器件

9、，因而需要專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，這里我們采用三菱公司生產(chǎn)的M57962驅(qū)動(dòng)模塊。其技術(shù)指標(biāo)如下：特點(diǎn)： 單管大功率IGBT模塊驅(qū)動(dòng)器。M57962的改進(jìn)型，管腳與M57962完全兼容，缺省參數(shù)也基本相同，可以直接代換?？砂茨J(rèn)值直接使用，也可根據(jù)需要調(diào)節(jié)保護(hù)盲區(qū)區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間。 應(yīng)用：可驅(qū)動(dòng)IGBT (300A/1200V或 600A/600V) 一只圖3-5 M57962結(jié)構(gòu)圖圖3-6 M57962 外部接線圖考慮到單片機(jī)I/O口的輸出信號(hào)電壓可以達(dá)到5V，而驅(qū)動(dòng)模塊M57962的原端輸入電壓要求為5V，因此可以直接將單片機(jī)PWM輸出口和M57962的信號(hào)輸入端1

10、3連接。輸出端5的PWM信號(hào)可以被抬升至到15V，由于IGBT的柵極-漏極開通電壓為12V至18V，因此這時(shí)從M57962模塊輸出的信號(hào)可以控制IGBT的關(guān)斷。3.3保護(hù)電路 緩沖電路又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。 關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。 開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。 在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。為了防止IG

11、BT被毀壞，我們需要在IGBT上加關(guān)斷緩沖電路。緩沖電阻取10k，電容仿真取10000uF。圖3-7 IGBT緩沖保護(hù)晶閘管開通時(shí)的di/dt很大，我們需要加開通緩沖電路。晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓?jiǎn)栴}，關(guān)斷時(shí)也沒有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。緩沖電阻取500，電容仿真取0.25uF。圖3-8 二極管緩沖保護(hù)4 仿真控制通過之前電路方案的選擇和元件值的計(jì)算，我們利用MATLAB軟件建立了仿真模型。 圖4給出了由IGBT元件組成的升降壓斬波電路仿真模型。 圖4-1 由IGBT構(gòu)成的Boost-Buck電路模型 負(fù)載輸出電壓仿真結(jié)果如下：圖4-2（a

12、） 占空比為50%時(shí)負(fù)載的波形此時(shí)L=1.9e-4，C=1.2e-4，R=8.33。圖4-2（b） 占空比為80%時(shí)負(fù)載的波形此時(shí)L=5.3e-4，C=1.2e-5，R= 133.333。圖4-2（c） 占空比為20%時(shí)負(fù)載的波形此時(shí)L=0.333e-4，C=7.68e-4，R= 0.5208333。 當(dāng)占空比為50%時(shí)，此時(shí)電路為臨界狀態(tài)，理論輸出電壓應(yīng)該為50V, 由圖6（a）看出，實(shí)際輸出電壓在47V到53V之間波動(dòng)，輸出電壓脈率小于10%，因此輸出電壓脈率處理合理范圍；當(dāng)占空比為80%，此時(shí)電路為升壓狀態(tài)，理論輸出電壓應(yīng)該為200V，由圖6（b）看出，實(shí)際輸出電壓在180V到200V之

13、間波動(dòng)，輸出電壓脈率小于10%，因此輸出電壓脈率處理合理范圍；當(dāng)占空比為20%，此時(shí)電路為降壓狀態(tài)，理論輸出電壓應(yīng)該為12.5V，由圖6（b）看出，實(shí)際輸出電壓在12.3V到12.6V之間波動(dòng)，輸出電壓脈率小于10%，因此輸出電壓脈率處理合理范圍。5心得體會(huì)此次電力電子課程設(shè)計(jì)，我的任務(wù)是繪制保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路以及使用MATLAB軟件中的Simulink子模塊建立升降壓斬波電路的仿真模型。通過仿真計(jì)算，我深刻的理解了DC/DC電路中升降壓部分的精妙之處，通過仿真計(jì)算，對(duì)升降壓電路的理解更上一層樓。升降壓斬波電路綜合了升壓電路和降壓電路的優(yōu)點(diǎn)，可以在一個(gè)電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

14、而全控型器件IGBT的使用為外部自動(dòng)控制提供了巨大便利，因此其使用范圍在直流斬波電路中很廣泛。此次課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的驗(yàn)證了升降壓斬波電路的功能特性。MATLAB是一款高深而有效的工具，在分析升降壓斬波電路時(shí)發(fā)揮了重要作用。其功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，通過仿真取代實(shí)物，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。在這次課程設(shè)計(jì)中，利用Simulink子模塊建立升降壓斬波電路的仿真模型可以輕松求解所需值，通過輸出波形驗(yàn)證了理論的正確性，同時(shí)節(jié)省了人工計(jì)算的難度和實(shí)踐的成本。 這段時(shí)間很好的考驗(yàn)了我的學(xué)習(xí)能力。由于之前對(duì)Simulink不是很了解，因此在空閑時(shí)間就在看Simulink工具的參考資料。在仿真遇到困難時(shí)就去MA

15、TLAB論壇向前輩請(qǐng)教或者直接去向師兄請(qǐng)教，很好的鍛煉了自己的能力。參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2009.2 王晶，翁國(guó)慶. 電力系統(tǒng)的MATLAB-SIMULINK仿真與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,2008.3 陳堅(jiān). 電力電子學(xué)J. 高等教育出版社.2002.4 Lei ,Q. ,Peng . Space Vector Pulsewidth Amplitude Modulation for a BuckBoost Voltage/Current Source Inverter.J. IEEE Transactions on

16、Power Electronics. 2014, 29(1).5 陸治軍，王強(qiáng). 一種新型升降壓LED驅(qū)動(dòng)電源M. 電源技術(shù).2010.12.附錄1 程序清單/=#include<reg52.h>unsigned int a, b;/-void main() TMOD = 0x01; /T0定時(shí)方式1 TH0 = (65536-200) / 256; /0.2ms 12MHz 每個(gè)周期12/（12*1000000）=0.2ms TL0 = (65536-200) % 256; TR0 = 1; ET0 = 1; EX0 = 1; EX1 = 1; IT0 = 1; IT1 = 1;

17、 EA = 1; a = 0; b = 10; while(1);/-void time0() interrupt 1 TL0 = (65536-200) % 256; TH0 = (65536-200) / 256; /0.2ms12MHz a+; if(a = 20) a = 0; /在這里調(diào)整周期. if(a < b) P1 = 0xff; /在這里通過獨(dú)立按鍵調(diào)整占空比. else P1= 0x00; P2 = (b / 10) << 4) + b % 10; /顯示占空比等級(jí)/- void X0_INT() interrupt 0 /增加占空比 b+; if(b > 19) b = 19; /占空比等級(jí)最大為19 ，增大占空比/-void X1_INT() interrupt 2 /減小占空