IGBT降壓斬波電路設(shè)計(jì)純電阻負(fù)載

1、摘 要直流直流交流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭ɑ蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路在直流交流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離。本次設(shè)計(jì)將針對斬波電路實(shí)現(xiàn)變流。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 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬

2、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)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，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在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。直流斬波電路種類包括六種基本斬波電路，本次設(shè)計(jì)將使用降壓斬波電路（Buck Chopper）。關(guān)鍵詞：直流斬波；降壓斬波；IGBT 目 錄摘要 第一章 總體設(shè)計(jì)方案11.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 11.2 功能要求說明11.3 設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原理11.3.1 設(shè)計(jì)總電路11.3.2 設(shè)計(jì)電路原理1第二章 電路設(shè)計(jì) 42.1 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)4 2.1.1 電路數(shù)學(xué)分析4 2.1.

3、2 參數(shù)確定52.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 62.3 整流電路設(shè)計(jì) 6 2.3.1 整流電路選取6 2.3.2 整流電路分析7第三章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析83.1 仿真軟件簡介83.2 仿真電路及參數(shù)設(shè)置8 3.3仿真結(jié)果及分析 11結(jié)束語 14參考文獻(xiàn) 15附錄 總電路圖 16第一章 電路總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)任務(wù)IGBT降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）。1.2 功能要求說明1、輸入直流電壓：Ud=100V；2、輸出功率：300W；3、開關(guān)頻率5KHz；4、占空比10%90%；5、輸出電壓脈率：小于10%。1.3 設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原理 設(shè)計(jì)總電路確定降壓斬波器電路如圖1.1所示：圖1.1 降壓斬波

4、（buck）電路原理圖此電路使用一個全控型器件T，圖中為IGBT。并設(shè)置了續(xù)流二極管D，在T關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道。這種電路的電壓源性質(zhì)，負(fù)載為電源性質(zhì)。電路完成把直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓的功能。 設(shè)計(jì)原理為了分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)，對圖1.1做如下假設(shè)：（1） IBGT 二極管是理想元件，即可以瞬間導(dǎo)通或截止，沒有導(dǎo)通壓降（導(dǎo)通時電阻為0），截止時沒有漏電流。（2） 電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。（3） 輸出電壓中的紋壓與輸出電壓的比值很小，可以忽略。則buck電路將有兩種工作狀態(tài)：（1）當(dāng)IGBT導(dǎo)通如圖1.2（a）所示，

5、電源向負(fù)載供電，續(xù)流二極管因反向偏置而截止，電容開始充電，直流通過電感L向負(fù)載傳遞能量。此時，電感電流線性增加，儲存的磁場能量也逐漸增加。負(fù)載R流過電流，兩端輸出電壓上正下負(fù)。 在一個開關(guān)周期內(nèi)IGBT管T導(dǎo)通時間為。 （2）當(dāng)IGBT阻斷如圖1.2（b）所示，由于電感電流不能突變，故通過二極管D續(xù)流。電感電流逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負(fù)載上，電感電流降低，L上儲能減小。電感電流減小時，電感兩端的電壓改變極性，二極管D承受正向偏壓而導(dǎo)通，構(gòu)成續(xù)流通路，負(fù)載電壓仍然是上正下負(fù)。當(dāng)電感電流小于負(fù)載電流時，電容處于放電狀態(tài)，以維持和不變。在一個開關(guān)周期內(nèi)IGBT管T斷開時間為-。 圖1.2 B

6、uck電路電感電流連續(xù)的工作狀態(tài)定義IGBT管的導(dǎo)通時間與開關(guān)周期的比值為占空比，用表示 根據(jù)上面的分析，繪出輸入輸出電壓波形如圖1.3所示。1.3 Buck電路連續(xù)工作模式則由波形可知，Buck電路能夠?qū)崿F(xiàn)直流輸入、降壓直流輸出。第二章 電路的設(shè)計(jì)2.1 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)降壓斬波主電路如圖1.1中除電源與觸發(fā)電路后的部分。 電路數(shù)學(xué)分析 主開關(guān)導(dǎo)通時，Buck電路工作于圖1.2（a）的狀態(tài)。電源電壓通過T加到二極管D的兩端，二極管D反向截止。電流過電感，穩(wěn)態(tài)時輸入輸出電壓保持不變，則電感兩端電壓的極性為左正、右負(fù)，忽略管壓降有.由于儲能電感的時間常數(shù)遠(yuǎn)大于開關(guān)周期，因而在該電路電壓的作用下

7、輸出濾波電感中的電流可近似認(rèn)為是線性增長，直到時刻，達(dá)到最大值.電感電流線性上升的增量為： （2-1-1）當(dāng)主開關(guān)管截止時，Buck電路工作在1.2（b）的狀態(tài)。電感兩端的電壓極性為左負(fù)、右正，二極管導(dǎo)通續(xù)流，忽略管壓降有，同樣可以認(rèn)為電感中電流可近似認(rèn)為是線性下降，下降量絕對值為： （2-1-2） 當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感波形必然周期重復(fù)，開關(guān)管T導(dǎo)通期間電感中的電流增加量等于其截止時電感中的減少量，即 （2-1-3）聯(lián)合式（2-1-1）和（2-1-3）可得： （2-1-4）由式（2-1-4）可知，改變輸出電壓的辦法既可以調(diào)整輸入電壓，也可以改變占空比。在輸入電壓一定的情況下，改變占空比則可

8、控制輸出平均電壓。輸出平均電壓總是小于輸入電壓。連續(xù)導(dǎo)通模式下Buck電路的電壓增益M為 （2-1-5） 參數(shù)確定當(dāng)電感較小、負(fù)載電阻較大，則負(fù)載電路的時間常數(shù)較小，或當(dāng)開關(guān)周期較大時，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，但新的周期卻沒有開始的情況，即出現(xiàn)了電感電流斷續(xù)。如果在時刻電感電流剛好降到零，則為電感電流連續(xù)的臨界狀態(tài)，如圖2.1。此時負(fù)載電流和間的關(guān)系為 圖2.1Buck電路電感電流處于臨界狀態(tài) （2-1-6） 其中 （2-1-7）聯(lián)合式（2-1-2）、式（2-1-6）和式（2-1-7）用下標(biāo)C表示臨界參數(shù)值，則 （2-1-8）式中為輸出功率（W），。經(jīng)過電容的電流對電容充電產(chǎn)生的電壓，與參數(shù)

9、的關(guān)系表達(dá)式為： ( 2-1-9）則根據(jù)要求的和其他參數(shù)可求得電路的電容： （2-1-10）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)頻率為5KHz（Ts=1/5000），輸入電壓為直流100V,選擇負(fù)載電阻為20，確定占空比為Dc=25%。根據(jù)式（2-1-8）選擇電感 這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，要保證電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選1.2倍臨界電感，可選1.8e-3H。根據(jù)式（2-1-10）選擇電容：輸出脈率要小于10%，選為2%，則有 2.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以ICL8038為核心，實(shí)現(xiàn)占空比可變電壓信號的輸出以觸發(fā)IGBT。ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個別

10、的外部元件就能產(chǎn)生從 0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端, 所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038的引腳圖如圖2.2所示。圖2.2 ICL8038引腳圖方波信號由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生的原理圖如圖2.3所示圖2.3 ICL8038用于方波波信號發(fā)生2.3 整流電路設(shè)計(jì) 整流電路選取本設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 對整流出來的電壓進(jìn)行傅里葉變換得: （2-3-1）由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用

11、RC濾波器,因?yàn)殡娙轂V波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中。因此本電路選用電容濾波.因?yàn)楸倦娐芬笥蟹€(wěn)定的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓。整流電路的原理圖如圖2.4所示：圖2.4 整流電路圖 整流電路分析如圖2.4所示，輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為2.2/1）后輸出100V、50Hz。當(dāng)同名端為正時D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直

12、流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為100V左右）。第三章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析3.1 仿真軟件簡介此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫方程，而只需通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系

13、統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）,這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。3.2 仿真電路及參數(shù)設(shè)置仿真電路如圖3.1。具體參數(shù)設(shè)置如下：（1）直流電壓值為100V，設(shè)置如圖3.2所示。 圖3.2 電壓參數(shù)設(shè)置圖3.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型（2）電阻R值設(shè)為20，如圖3.3所示。 圖3.3 電阻參數(shù)設(shè)置（3）電感L值設(shè)為1.8e-3H，如圖3.4所示。圖3.4 電感參數(shù)設(shè)置（4）電容C值設(shè)為1e-3F

14、，如圖3.5所示。圖3.5 電容參數(shù)設(shè)置（5）開關(guān)頻率要求5KHz，設(shè)置周期為2e-4s，依次調(diào)節(jié)占空比，如圖3.6所示。圖3.6 周期及占空比參數(shù)設(shè)置（6）設(shè)置示波器的顯示時間范圍為0.001s，如圖3.7所示。圖3.7 示波器顯示范圍參數(shù)設(shè)置3.3 仿真結(jié)果及分析調(diào)節(jié)觸發(fā)信號，使IGBT的開關(guān)頻率為5KHz、觸發(fā)信號電壓占空比為=25%，通過示波器觀察參數(shù)IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL波形，如圖3.8。 圖3.8 占空比Dc=25%各測量參數(shù)波形調(diào)節(jié)觸發(fā)電路，輸出不同占空比的矩形波信號，并分別測觸發(fā)波形和輸出電壓波形，如圖3.93.1

15、2。圖3.9 占空比Dc=40%觸發(fā)信號與輸出信號圖3.10 占空比Dc=60%觸發(fā)信號與輸出信號 圖3.11 占空比D=80%觸發(fā)信號與輸出信號圖3.12 占空比D=99%觸發(fā)信號與輸出信號 圖3.8從上到下的波形依次為IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL。電感電流連續(xù)，波形與圖1.3的理論波形規(guī)律一致。由公式，可得：當(dāng)=0.25，理論值=25V，仿真值=24.14V。相對誤差3.44%；當(dāng)=0.40，理論值=40V，仿真值=39.16V。相對誤差2.1%；當(dāng)=0.60，理論值=60V，仿真值=59.10V。相對誤差1.5%；當(dāng)=0.80，理

16、論值=80V，仿真值=79.04V。相對誤差1.2%；當(dāng)=0.99，理論值=99V，仿真值=97.99V。相對誤差1.02%。仿真所得數(shù)據(jù)與理論值相對誤差符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)束語經(jīng)過幾天的努力我終于順利完成了此次電力電子的課程設(shè)計(jì)，在這個過程中遇到了許多困難但通過解決困難也學(xué)到了很多知識。首先，一開始著手設(shè)計(jì)時對電路的選擇比較茫然，不知道如何下手。通過熟悉教材相關(guān)章節(jié)和在線搜索相關(guān)知識，使問題得到了解決。然后，在確定好設(shè)計(jì)電路后，計(jì)算元器件參數(shù)時由于缺乏理論基礎(chǔ)不知道如何計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。在熟悉了電路原理和電路各點(diǎn)電壓或電流參量的推導(dǎo)后問題也得到解決后來在進(jìn)行MATLAB仿真時由于對軟件不熟悉，遇到了不少操作上的問題，而且對元器件庫不了解，致使花費(fèi)了很多時間才達(dá)到預(yù)期的效果。不過通過自己不斷的摸索現(xiàn)在對Simulink的常用元件的尋找及繪圖仿真、獲取仿真結(jié)果都比以前熟悉很多了。最后，我要感謝本學(xué)期教授我們電力電子技術(shù)這門課的*教授，他不僅使我對電力電子