降壓斬波電路課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　引言……………………………………………………………2</p><p>　　設(shè)計(jì)要求與方案………………………………………………2</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………..2</p><p>　　2.2 方案確定…

2、……………………………………………………………….3</p><p>　　主電路設(shè)計(jì)…………………………………………………….3</p><p>　　3.1 主電路方案………………………………………………………………..3</p><p>　　3.2 工作原理…………………………………………………………………..4</p><p>　　3.3

3、 參數(shù)分析…………………………………………………………………..5</p><p>　　控制電路設(shè)計(jì)………………………………………………….5</p><p>　　4.1 控制電路方案選擇………………………………………………………..5</p><p>　　4.2 工作原理…………………………………………………………………..6</p><p&g

4、t;　　4.3 控制芯片介紹……………………………………………………………..7</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)………………………………………………….9</p><p>　　5.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇………………………………………………………...9</p><p>　　5.2 工作原理…………………………………………………………………..10</p>

5、<p>　　保護(hù)電路設(shè)計(jì)………………………………………………….11</p><p>　　6.1 過(guò)壓保護(hù)電路……………………………………………………………..11</p><p>　　6.2 過(guò)流保護(hù)電路……………………………………………………………..12</p><p>　　系統(tǒng)仿真及結(jié)論………………………………………………….13</p&

6、gt;<p>　　結(jié)論…………………………………………………….16</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………….16</p><p>　　致謝…………………………………………………………….17</p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)

7、的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類(lèi)也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓，大電流和高效率的開(kāi)關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源分為AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 變換已實(shí)現(xiàn)模塊化，其設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝已相對(duì)成熟和標(biāo)準(zhǔn)

8、化。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱(chēng)為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。</p><p>　　IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性

9、介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開(kāi)關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢(shì)，促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。</p>

10、;<p><b>　　設(shè)計(jì)要求與方案</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　2.1.1 課程設(shè)計(jì)目的</p><p>　　1、培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。</p><p>　　2、培養(yǎng)綜合分析問(wèn)題、發(fā)

11、現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。</p><p>　　4、提高課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)水平。</p><p>　　2.1.2 課程設(shè)計(jì)要求</p><p>　　降壓斬波電路設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　1、輸入直流電壓：Ud=100V</p><p&

12、gt;　　2、開(kāi)關(guān)頻率5KHz</p><p><b>　　3、輸出電壓20V</b></p><p>　　4、最大輸出電流：20A</p><p><b>　　5.L=100mH</b></p><p>　　6.輸出功率：400W</p><p><b>　　7.

13、占空比</b></p><p><b>　　2.2 方案確定</b></p><p>　　電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號(hào)能

14、夠足以驅(qū)動(dòng)電力電子開(kāi)關(guān)時(shí)就無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來(lái)產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在開(kāi)關(guān)控制

15、端，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)控制降壓斬波電路的主電路工作。控制電路中的保護(hù)電路是用來(lái)保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過(guò)電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。</p><p><b>　　主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 主電路方案</p><p>　　根據(jù)所選課題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)降壓斬波電路，可運(yùn)用電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的通

16、斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個(gè)方案是較為簡(jiǎn)單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡(jiǎn)單的電路復(fù)雜化，不可取。至于開(kāi)關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因?yàn)镮GBT控制較為簡(jiǎn)單，且它既具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)。</p&

17、gt;<p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，直流降壓斬波主電路如圖2所示：</p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p>　　直流降壓斬波主電路使用一個(gè)全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)IG

18、BT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線(xiàn)上升。電路工作時(shí)波形圖如圖3所示：</p><p>　　圖3 降壓電路波形圖</p><p>　　當(dāng)時(shí)刻，控制IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線(xiàn)下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，故串聯(lián)L值較大的電感。</p><p>　　至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期

19、的過(guò)程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為</p><p>　　為IGBT處于通態(tài)的時(shí)間；為處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；α為導(dǎo)通占空比。</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)占空比α使輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比α，則隨之減小。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo 最大為U i，若減小占空比α，則Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱(chēng)

20、該電路為降壓斬波電路。</p><p><b>　　3.3參數(shù)分析</b></p><p>　　主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：</p><p>　　(1)電源 要求輸入電壓為100V。</p><p>　　(2)電阻 因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為200V時(shí)，假輸出電流為

21、20A。所以由歐姆定律</p><p>　　可得負(fù)載電阻值為1歐姆。</p><p>　　(3)IGBT 由圖3易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流=，反向擊穿電壓的IGBT，而一般的IGBT都滿(mǎn)足要求。</p><p>　　(4)二極管 其承受最大反

22、壓100V，其承受最大電流趨近于20A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。</p><p>　　(5)電感 L=100mH;</p><p>　?。?）開(kāi)關(guān)頻率 f=5KHz</p><p>　　（7）電容 設(shè)計(jì)要求輸出電壓紋波小于1%</p><p><b>　　控制電路設(shè)計(jì)</b></p>&l

23、t;p>　　4.1 控制電路方案選擇</p><p>　　控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。</p><p>　　斬波電路有三種控制方式：</p><p>　　1.保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；</p><p&g

24、t;　　2.保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；</p><p>　　3.導(dǎo)通時(shí)間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱(chēng)為混合型。</p><p>　　因?yàn)閿夭娐酚羞@三種控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來(lái)控制IGBT的通斷。PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。改

25、變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。</p><p>　　圖4.1 SG3525引腳圖</p><p>　　對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過(guò)一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來(lái)輸出PWM波，也可以通過(guò)特定的PWM發(fā)生芯片來(lái)控制。因?yàn)轭}目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所

26、以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來(lái)進(jìn)行連續(xù)控制。</p><p>　　對(duì)于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖4.1所示，它是一款專(zhuān)用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。</p><p>　　其11和14腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)限比較

27、器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。</p><p><b>　　4.2 工作原理

28、</b></p><p>　　由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：</p><p><b>　　4.1</b></p><p>　　式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為40kHz，所以由上式可取=0.01μF, = ,=?？傻胒=40kHz，滿(mǎn)足要求。</p

29、><p>　　圖4.2 控制電路</p><p>　　SG3525有過(guò)流保護(hù)的功能，可以通過(guò)改變10腳電壓的高低來(lái)控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動(dòng)電路輸出的過(guò)流保護(hù)電流信號(hào)經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，同理也可以用10端進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，如圖4.2所示10端外接過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到過(guò)流時(shí)發(fā)出電流信號(hào)，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其

30、沒(méi)有過(guò)流時(shí)，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。</p><p>　　SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負(fù)載輸出電壓，通過(guò)1端的變位器得到它的一個(gè)基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)生變化時(shí)能夠通過(guò)1、2所接的誤差放大器來(lái)控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得1端得到不同的基準(zhǔn)電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸

31、出電壓為50-80V范圍。</p><p>　　4.3 控制芯片介紹</p><p>　　本控制電路是以SG3525 為核心構(gòu)成,SG3525 為美國(guó)Silicon General 公司生產(chǎn)的專(zhuān)用，它集成了PWM 控制電路,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖4.3所示,它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源,鋸齒波振蕩器,誤差放大器,比較器,分頻器和保護(hù)電路等.調(diào)節(jié)Ur 的大小,在1

32、1,14兩端可輸出兩個(gè)幅度相等,頻率相等,相位相差, 占空比可調(diào)的矩形波(即PWM信號(hào)).然后，將脈沖信號(hào)送往芯片HL402，對(duì)微信號(hào)進(jìn)行升壓處理，再把經(jīng)過(guò)處理的電平信號(hào)送往IGBT，對(duì)其觸發(fā)，以滿(mǎn)足主電路的要求。</p><p>　　圖4.3 SG3525A 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　（1）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器</p><p>　　基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.

33、1V，50mA，有短路電流保護(hù)的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時(shí)又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。若輸入電壓低于6V時(shí)，可把15、16腳短接，這時(shí)5V電壓調(diào)整器不起作用。</p><p><b>　　（2）振蕩器</b></p><p>　　3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的

34、電阻值RD決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)RD來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，因此是重大改進(jìn)。這時(shí)3525A的振蕩頻率可表為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　在3525A中增加了同步端3專(zhuān)為外同步用，為多個(gè)3525A的聯(lián)用提供了方便。同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩頻率fs要低一些。</p><p><b>　　(

35、3)誤差放大器</b></p><p>　　誤差放大器是差動(dòng)輸入的放大器。它的增益標(biāo)稱(chēng)值為80dB，其大小由反饋或輸出負(fù)載決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在1.8~3.4V，需要將基準(zhǔn)電壓分壓送至誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負(fù)電阻輸出）。</p><p>　　3524的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制三個(gè)信號(hào)共用一

36、個(gè)反相輸入端，3525A改為增加一個(gè)反相輸入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作精度的提高。</p><p>　　(4)閉鎖控制端10</p><p>　　利用外部電路控制10腳電位，當(dāng)10腳有高電平時(shí)，可關(guān)閉誤差放大器的輸出，因此，可作為軟起動(dòng)和過(guò)電壓保護(hù)等。</p><p><b>　　

37、(5)有軟起動(dòng)電路</b></p><p>　　比較器的反相端即軟起動(dòng)控制端8，端8可外接軟起動(dòng)電容。該電容由內(nèi)部Vref的50μA恒流源充電。達(dá)到2.5V所經(jīng)的時(shí)間為。點(diǎn)空比由小到大（50％）變化。</p><p>　　(6)增加PWM鎖存器使關(guān)閉作用更可靠</p><p>　　比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器。鎖存器由關(guān)閉電路置位，由振蕩器

38、輸出時(shí)間脈沖復(fù)位。這樣，當(dāng)關(guān)閉電路動(dòng)作，即使過(guò)流信號(hào)立即消失，鎖存器也可維持一個(gè)周期的關(guān)閉控制，直到下一周期時(shí)鐘信號(hào)使倘存器復(fù)位為止。</p><p>　　另外，由于PWM鎖存器對(duì)比較器來(lái)的置位信號(hào)鎖存，將誤差放大器上的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除了。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位，有利于可靠性提高。</p><p>　　(7)增設(shè)欠壓鎖定電路</p><

39、p>　　電路主要作用是當(dāng)IC塊輸入電壓小于8V時(shí)，集成塊內(nèi)部電路鎖定，停止工作（其準(zhǔn)源及必要電路除外），使之消耗電流降到很小（約2mA）。</p><p><b>　　(8)輸出級(jí)</b></p><p>　　由兩個(gè)中功率NPN管構(gòu)成，每管有抗飽和電路和過(guò)流保護(hù)電路，每組可輸出100mA。組間是相互隔離的。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個(gè)

40、電平狀態(tài)中。為了能適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速的場(chǎng)效應(yīng)功率管的需要，末級(jí)采用推拉式電路，使關(guān)斷速度更快。</p><p>　　11端（或14端）的拉電流和灌電流，達(dá)100mA。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，由于存在開(kāi)閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，其持續(xù)時(shí)間約100ns。使用時(shí)VC接一個(gè)0.1μf電容可以濾去尖峰。</p><p>　　另一個(gè)不足處是吸電流時(shí)，如負(fù)載電流達(dá)到50mA以上時(shí)，管

41、飽和壓降較高（約1V）。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇</p><p>　　IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)一般難以以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計(jì)中還

42、學(xué)要有帶電氣隔離的部分。</p><p>　　該驅(qū)動(dòng)部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)變流的成敗。具體來(lái)講IGBT的驅(qū)動(dòng)要求有一下幾點(diǎn)：</p><p>　　1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。否則IGBT會(huì)在開(kāi)通及關(guān)延時(shí)，同時(shí)要保證當(dāng)IGBT損壞時(shí)驅(qū)動(dòng)電路中的其他元件不會(huì)被損壞。</p><p>

43、;　　2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。</p><p>　　3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍可能破壞柵極。</p><p>　　4）當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT

44、的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。</p><p>　　針對(duì)以上幾個(gè)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的隔離方式，有以下2種驅(qū)動(dòng)電路，下面對(duì)其進(jìn)行比較選擇。</p><p>　　方案1：采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多

45、的工作電源，其對(duì)脈沖信號(hào)有1us的時(shí)間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場(chǎng)合。</p><p>　　方案2：采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，延遲小。但是它不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)流保護(hù)，不能實(shí)現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對(duì)變壓器的繞制要求嚴(yán)格。</p><p>　　通過(guò)以上比較，結(jié)合本系統(tǒng)中，對(duì)電壓要求不高，而且只有一個(gè)全控器件需要控制，使用光耦電路，使用方便，所以選擇方案1。</

46、p><p>　　對(duì)于方案1可以用EXB841驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以直接用光耦電路進(jìn)行主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動(dòng)信號(hào)加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以驅(qū)動(dòng)IGBT管。由于我所設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路是利用控制芯片10端來(lái)設(shè)計(jì)的，且直接用光耦電路比較簡(jiǎn)單，所以我沒(méi)有用驅(qū)動(dòng)芯片而是直接用光耦電路。</p><p><b>　　5.2工作原理</b></p><

47、;p>　　如圖5.2所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，再加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。</p><p>　　圖5.2 驅(qū)動(dòng)電路</p&g

48、t;<p>　　原理：控制電路所輸出的信號(hào)通過(guò)TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號(hào)放大</p><p><b>　　保護(hù)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　6.1 過(guò)壓保護(hù)電路</p><p>　　過(guò)壓保護(hù)要根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到—定電壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)

49、通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。</p><p>　　6.1.1 主電路器件保護(hù)</p><p>　　當(dāng)達(dá)到—定電壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。</p><p>　　為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電

50、壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖6.1.1所示。</p><p>　　圖6.1.1 RC阻容過(guò)電壓保護(hù)電路圖</p><p>　　6.1.2 負(fù)載過(guò)壓保護(hù)</p><p>　　如圖6.1.1所示 比較器同相端接到負(fù)載端，反相端接到一個(gè)

51、基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。</p><p>　　電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以?xún)?nèi)，

52、取負(fù)載輸出電壓最大值80V來(lái)算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。</p><p>　　圖 6.1.2 負(fù)載過(guò)壓保護(hù)</p><p>　　6.2 過(guò)流保護(hù)電路</p><p>　　當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短

53、路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。</p><p>　　過(guò)流保護(hù)的方法比較多，比較簡(jiǎn)單的方法是一般采用添加FU熔斷器來(lái)限制電流的過(guò)大，防止IGBT的破壞和對(duì)電路中其他元件的保護(hù)。如圖1 在主電路串接一個(gè)快速熔斷絲。</p><p>　　還有一種方法如圖6.2所示，也是

54、利用控制電路芯片的第10端。在主電路的負(fù)載端串接一個(gè)很小取樣電阻，把它接到放大器進(jìn)行放大，后再利用比較器，運(yùn)用過(guò)壓保護(hù)原理同樣能實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。</p><p>　　電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點(diǎn)幾伏，需要通過(guò)放大器把電壓放大到幾伏左右，由放大器運(yùn)算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比較器中比較使得

55、比較器輸出端電位升高，與過(guò)壓保護(hù)一樣原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。</p><p>　　圖6.2 過(guò)流保護(hù)電路</p><p><b>　　七：系統(tǒng)仿真及結(jié)論</b></p><p>　　7.1 仿真軟件的介紹</p><p>　　此次仿真使用的是MATLAB軟件。</p&g

56、t;<p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀(guān)的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simu

57、link。 </p><p>　　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(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線(xiàn)性系統(tǒng)、非線(xiàn)性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simuli

58、nk提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)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(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p>　　Simulink&reg;是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行

59、設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.</p><p>　　構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪(fǎng)問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。</p><p>　　4

60、.2仿真電路及其仿真結(jié)果</p><p><b>　　1.仿真電路圖</b></p><p>　　圖7.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型</p><p>　　根據(jù)題目要求輸出電壓平均值為100V，電流為20A。這里是首先指定電源為100V直流。則最大占空比為20%。先用純電阻負(fù)載，則負(fù)載理論阻值應(yīng)該為1Ω。至于負(fù)載回路中的大電感，我在這里取

61、的100mH。</p><p>　　設(shè)定好元器件的參數(shù)之后,還需要設(shè)置仿真算法和仿真時(shí)間。我的設(shè)置如下圖所示</p><p>　　圖7.2仿真設(shè)置界面</p><p>　　2：MATLAB的.仿真結(jié)果如下：</p><p>　　結(jié)論：上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒(méi)有誤差。</p><p><b

62、>　　主要參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1].王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2009</p><p>　　[2].李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn).電子工業(yè)出版社.2005</p><p>　　[3].洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.2006</p><p>　　[