1、目錄摘要11前言12方案確定23主電路設計23.1 主電路方案23.2 工作原理33.3 參數分析44控制電路設計54.1 控制電路方案選擇54.2 工作原理64.3 控制芯片介紹75驅動電路設計95.1 驅動電路方案選擇 95.2 工作原理106保護電路設計116.1 過壓保護電路116.1.1 主電路器件保護 116.1.2 負載過壓保護126.2 過流保護電路 137系統仿真及結論137.1 仿真軟件的介紹147.2 仿真電路及其仿真結果14心得體會15參考文獻16致謝17IGBT降壓斬波電路設計摘要：直流-直流變流電路的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓 的直流電，包括直接直流電

2、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為另一固定電壓或可調電壓的 直流電，一般是指直接將直流電變為另一直流電，這種情況下輸入與輸出之 間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環節，在交流 環節中通常采用變壓器實現輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直 流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本 斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路。Cuk斬波電 路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，利用不同的斬波電路的組合可以構成 符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結構 的基

3、本斬波電路進行組合，可構成多相多重斬波電路。關鍵字：IGBT直流斬波降壓斬波1前言隨著電力電子技術的高速發展，電子系統的應用領域越來越廣泛，電 子設備的種類也越來越多。伴隨著人們對開關電源的進一步升級，低電壓， 大電流和高效率的開關電源成為研究趨勢。開關電源分為AC/DC和DC/DC,其中DC/DC變換已實現模塊化，其設 計技術和生產工藝已相對成熟和標準化。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，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。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

4、，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是 MOSFE與T雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFE易T驅動的特點，又 具有功率晶體管電壓、電流容量大等優點。其頻率特性介于MOSFE與T功 率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了 IGBT易驅動，電壓、電流容量 大的優點。2方案確定電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅動電路，保護電 路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。由信息電子電路組成 的控制電路按照系統的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電 路中電力電子器件的導通或者關

5、斷來完成整個系統的功能，當控制電路所 產生的控制信號能夠足以驅動電力電子開關時就無需驅動電路。根據降壓斬波電路設計任務要求設計主電路 控制電路、驅動及保護電 路，設計出降壓斬波電路的結構框圖如圖1所示。圖1降壓斬波電路結構框圖在圖1結構框圖中，控制電路是用來產生降壓斬波電路的控制信號， 控制電路產生的控制信號傳到驅動電路，驅動電路把控制信號轉換為加在開 關控制端，可以使其開通或關斷的信號。通過控制開關的開通和關斷來控 制降壓斬波電路的主電路工作。控制電路中的保護電路是用來保護電路 的，防止電路產生過電流現象損害電路設備。3主電路設計3.1 主電路方案根據所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路，可

6、運用電力電子開關來 控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據 所學的buck降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直 直變換簡化了電路結構。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流 變直流，這種方案把本該簡單的電路復雜化，不可取。至于開關的選 擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因為 IGBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關速度快 驅動電路簡單 等特點，又用通態壓降小、耐壓高、電流大等優點。3.2 工作原理根據所學的知識，直流降壓斬波主電路如圖2所圖2主電路圖直流降壓斬波主電路使用一個全控器件IGBT控制導通。用控制電

7、路和驅動 電路來控制IGBT的通斷，當 t=0時，驅動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E,負載電流i。按指數曲線上升。電路工作時波形圖如圖3所示:圖3降壓電路波形圖當tb時刻，控制IGBT關斷，負載電流經二極管Vd續流，負載電壓u。近 似為零，負載電流指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，故串聯L 值較大的電感。至一個周期T結束，再驅動IGBT導通，重復上一周期的過程。當電力工 作于穩態時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為：Uo ton Uiton UiUion t off丁ton為IGBT處于通態的時間；t。*為處于斷態的時間；T為開關周期；a 為導通占

8、空比。通過調節占空比a使輸出到負載的電壓平均值U。最大為E,若減小占空 比a,則U。隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值U。最大為Q, 若減小占空比a,則U。隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波 電路。3.3 參數分析主電路中需要確定參數的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電 阻值的確定，其參數確定如下：(1)電源要求輸入電壓為100V。(2)電阻因為當輸出電壓為200V時，假輸出電流為20Ao所以由歐姆定 律Io可得負載電阻值為1QIGBT由圖3易知當IGBT截止時，回路通過二極管續流，此時IGBT 兩端 承受最大正壓為100V；而當a=1時，IGBT有最大

9、電流，其值為5A。 故需選擇集電極最大連續電流lc=10 A ,反向擊穿電壓Bvce。200V的IGBT,而一般的 IGBT都滿足要求。(4)二極管其承受最大反壓100V,其承受最大電流趨近于20A,考慮2 倍裕 量，故需選擇Un 200V, In 20 A的二極管。5)電感 L=100mH;(6)開關頻率f=5KHz(7)電容設計要求輸出電壓紋波小于1%4控制電路設計4.1 控制電路方案選擇控制電路需要實現的功能是產生控制信號，用于控制斬波電路中主功率 器件的通斷，通過對占空比的調節達到控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：1 .保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton,稱為脈沖

10、寬度調制或脈 沖調寬型；2 .保持導通時間不變，改變開關周期T,成為頻率調制或調頻型；3 .導通時間和周期T都可調，是占空比改變，稱為混合型。因為斬波電路有這三種控制方式，又因為PWM控制技術應用最為廣 泛，所以 采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖 寬度進行調制的技術。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖 的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調 制，只是因為輸入電壓和所 需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是 等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，我選用一般的PWM發生 芯片來

11、進行連續控制。對于PWM發生芯片，我選用了 SG3525芯片，其引腳圖如圖4所示，它 是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調寬控制方案。圖4 SG3525引腳圖其11和14腳輸出兩個等幅 等頻、相位互補 占空比可調的PWM信 號。腳6、腳7內有一個雙門限比較器，內設電容充放電電路，加上外接的 電阻電容電路共同構成SG3525的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳 3)。腳1及腳2分別為芯片內部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。 該放大器是一個兩級差分放大器。根據系統的動態 靜態特性要求，在誤差 放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當的反饋補償網絡，另外當10 腳的電壓為高電平時，

12、11和14腳的電壓變為10輸出。4.2 工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為：1 f 4.1Ct(0.7Rt3Rd)式中:Ct, R分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；Rd是與腳7相連的放電端電阻值。根據任務要求需要頻率為40kHz,所以由上式可取Ct =0.01 piF, Rt= 1k , Rd =600 o 可得 f=40kHz,滿足要求。圖5控制電路SG3525有過流保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的 輸出。因此可以將驅動電路輸出的過流保護電流信號經一電阻作用，轉換成 電壓 信號來進行過流保護，同理也可以用10端進行過壓保護，如圖5所示 10端外接 過壓

13、過流保護電路。當驅動電路檢測到過流時發出電流信號，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，而當其沒有 過流時，10腳一直處 于低電平，從而正常的輸出PWM波。SG3525還有穩壓作用。1端接芯片內置電源，2端接負載輸出電壓，通 過1端的變位器得到它的一個基準電位，從而當負載電位發生變化時能夠通 過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負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定了輸出電壓，反之則然。調節變位器 使得1端得到不同的基準電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸出 電壓為50-80V范圍。4.3 控制芯片介紹本控制電路是以SG3525

14、為核心構成，SG3525為美國Silicon General公司 生產的專用，它集成了 PWM控 制電路，其內部電路結構及各引腳功能如圖 6所示，它采用恒頻脈寬調制控制方案，內部包含有精密基準源，鋸齒波振蕩 器，誤差放大器，比較器,分頻器和保護電路等.調節Ur的大小，在11,14兩端可 輸出兩個幅度相等，頻率相等，相位相差，占空比可調的矩形波（即PWM信 號）.然后，將脈沖信號送往芯片HL402,對微信號進行升壓處理，再把經 過處理的電平信號送往IGBT,對其觸發，以滿足主電路的要求。SD 10n圖6 SG3525A芯片的內部結構（1）基準電壓調整器基準電壓調整器是輸出為5.1V, 50mA,

15、有短路電流保護的電壓調整器。 它供電給所有內部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸入電壓低 于6V時，可把15、16腳短接，這時5V電壓調整器不起作用。（2）振蕩器3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值 決定了內部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值 RD決定。把充電和放電回路分開，有利于通過RD來調節死區的時間，因此 是重大改進。這時3525A的振蕩頻率可表為：1Ct（0.7Rt3Rd）42在3525A中增加了同步端3專為外同步用，為多個3525A的聯用提供了 方便。同步脈沖的頻率應比振蕩頻率fs要低一些。（3）誤差放大器誤差放大器是差

16、動輸入的放大器。它的增益標稱值為80dB,其大小由反 饋或輸出負載決定，輸出負載可以是純電阻，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,需要將基準電壓分壓送至 誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負電阻輸出）。3524的誤差放大器、電流控制器和關閉控制三個信號共用一個反相輸入 端，3525A改為增加一個反相輸入端，誤差放大器與關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償網絡工作 精度的提高。（4）閉鎖控制端10利用外部電路控制10腳電位，當10腳有高電平時，可關閉誤差放大器 的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護等。（

17、5）有軟起動電路比較器的反相端即軟起動控制端8,端8可外接軟起動電容。該電容由 內部Vref的5011A恒流源充電。達到2.5V所經的時間為 。占空比由小到大（50%）變化。（6）增加PWM鎖存器使關閉作用更可靠比較器（脈沖寬度調制）輸 出送到PWM鎖存器。鎖存器由關閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復 位。這樣，當關閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個 周期的關閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復位為止。另外，由于PWM鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上 的噪音、振鈴及系統所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期 才能重新置位，有利于可靠性提高。（7）增設

18、欠壓鎖定電路電路主要作用是當IC塊輸入電壓小于8V時，集成塊內部電路鎖定，停 止工作（其準源及必要電路除外），使之消耗電流降到很小（約2mA）。（8）輸出級由兩個中功率NPN管構成，每管有抗飽和電路和過流保護電路，每組可 輸出100mA。組間是相互隔離的。電路結構改為確保其輸出電平或者是高電 平或者是低電平的一個電平狀態中。為了能適應驅動快速的場效應功率管的 需要，末級采用推拉式電路，使關斷速度更快。11端（或14端）的拉電流和灌電流，達100mA。在狀態轉換中，由于 存在開閉滯后，使流出和吸收間出現重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈 沖，其持續時間約100ns。使用時VC接一個0.14電容可以

19、濾去尖峰。另一個不足處是吸電流時，如負載電流達到50mA以上時，管飽和壓降較 高（約1V） O5驅動電路設計5.1 驅動電路方案選擇IGBT是電力電子器件，控制電路產生的控制信號一般難以以直接驅動 IGBTo因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產生很大的電磁干 擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導致電力電子器件的損壞。因而還 設計中還學要有帶電氣隔離的部分。該驅動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅動電路的穩定與可靠性直接 影響著整個系統變流的成敗。具體來講IGBT的驅動要求有一下幾點：1）動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。 否則IGBT會在開通及關延時，同時

20、要保證當IGBT損壞時驅動電路中的其他 元件不會被損壞。2）能向IGBT提供適當的正向和反向柵壓，一般取+15 V左右的正向柵 壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。3）具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為 20 V,驅動信號超出此范圍可能破壞柵極。4）當IGBT處于負載短路或過流狀態時，能在IGBT允許時間內通過逐漸 降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程 不應隨輸入信號的消失而受到影響。針對以上幾個要求，對驅動電路進行以下設計。針對驅動電路的隔離方 式，有以下2種驅動電路，下面對其進行比較選擇。方案1：采用光電耦合式驅動電

21、路，該電路雙側都有源。其提供的脈沖寬 度 不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態，對外送出過流信號。另 外它使用比較方便，穩定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖 信號有1us的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。方案2：采用變壓器耦合驅動器，其輸入輸出耐壓高，電路結構簡單，延 遲小。但是它不能實現自動過流保護，不能實現任意脈寬輸出，而且其對 變壓器的繞制要求嚴格。通過以上比較，結合本系統中，對電壓要求不高，而且只有一個全控 器件需要控制，使用光耦電路，使用方便，所以選擇方案1o對于方案1可以用EXB841驅動芯片來實現也可以直接用光耦電路進行 主電路與控制電路隔離，再把驅動

22、信號加一級推挽電路進行放大使得驅動信 號足以驅 動IGBT管。由于我所設計的過流保護電路是利用控制芯片10端來 設計的，且直接用光耦電路比較簡單，所以我沒有用驅動芯片而是直接用光耦電路。5.2 工作原理如圖7所示，IGBT降壓斬波電路的驅動電路提供電氣隔離環節。一般電隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發光二極 管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。本電路中采用的隔離方法是， 先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進行放大。采用的光耦是TLP521- 10為得到最佳的波形，在調試的過程中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。圖7驅動電路原理：控制電路所輸出的信號通過TLP521-

23、1光耦合器實現電氣隔離，再經 過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大6保護電路設計6.1 過壓保護電路過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當 達到一定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載 保護。6.1.1 主電路器件保護當達到一定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通 路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上, 保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路 中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，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壓。與電容串聯的電阻能消耗

24、掉部分過壓能量，同 時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖8所示。圖8 RC阻容過電壓保護電路圖6.1.2 負載過壓保護如圖9所示比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上， 輸出端接控制芯片10端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出Um抬 高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動 作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持 續，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程， 從而實現過壓保護。電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經變位器后為可調基準電壓，比較 器同相端電壓應在5V以內，取負載輸出電壓

25、最大值80V來算R2o/Ri8=8O/3 。左右 9 所以 R2o=1 00K,Ri8=4K,Ri7=1 Ok, Ri9=2ko圖9負載過壓保6.2 過流保護電路當電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流。當器 件擊穿或短路、 觸發電路或控制電路發生故障 出現過載 直流側短路、 可 逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、 缺相 等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變 換器進行適當的過流保護。過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限 制電流的過大，防止IGBT的破壞和對電路中其他元件的保護。如圖1在主電 路串接

26、一個快速熔斷絲。還有一種方法如圖10所示，也是利用控制電路芯片的第10端。在主電 路的負載端串接一個很小取樣電阻，把它接到放大器進行放大，后再利用 比較器，運用過壓保護原理同樣能實現過流保護。電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點幾伏，需要通過放大 器把 電壓放大到幾伏左右，由放大器運算公式：Uo=(1+Rl2/Rw)*Ui,取放大 10倍,即1+Rl2/Rio=1 0 ,所以取Rl2=9K, Rio=1 Ko放大后把它接到比較器中 比較使得比較器輸出端電位升高，與過壓保護一樣原理，所以Ri3=2K, Rl4=2K, Rl5=1 OK, Rl6=2Ko12V圖10過流保護電路7系統仿真及

27、結論7.1 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過 簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結 構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優 點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同 時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink oSimulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模

28、、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛 應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建 模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。 為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI),這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，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的仿真結果。Simulink®是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處 理

29、系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿、執行和測試。構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了 Simulink多領域建模功能, 也提供了用于設計、執行 驗證和確認任務的相應工具。Simulink與 MATLAB®緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可 視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參 數和測試數據的定義。7.2 仿真電路及其仿真結果1.仿真電路圖如圖11所示圖11降壓斬波的MATLAB電路的模型根據題目要求輸出電壓平均值為100V,電流為20Ao這里是首先指定電源為100V直流。則最大占空比為20%o先用純電阻負載，則負載理論 阻值應該為1。至于負載回路中的大電感，我在這里取的100mH。設定好元器件的參數之后，還需要設置仿真算法和仿真時間。2. MATLAB的,仿真結果如圖12圖12仿真波形結論：上面的數據與理論值相同，由于使用的是仿真軟件