IGBT直流斩波电路的设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书0目录1设计原理分析..............................................................11.1总体结构分析...................................................................................................................11.2主电路的设计...................................................................................................................11.3触发电路的设计...............................................................................................................21.4驱动电路设计...................................................................................................................31.5保护电路分析...................................................................................................................52仿真分析与调试............................................................62.1建立仿真模型...................................................................................................................62.2仿真结果分析...................................................................................................................83确定实际参数.............................................................11心得体会...................................................................13参考文献...................................................................14附录：......................................................错误!未定义书签。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1IGBT直流斩波电路的设计1设计原理分析1.1总体结构分析直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。它在电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。电路的结构框图如下图（图1）所示。图1电路结构框图除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。1.2主电路的设计主电路是整个斩波电路的核心，降压过程就由此模块完成。其原理图如图2所示。图2主电路原理图主电路驱动电路电源触发电路tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2如图，IGBT在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流io流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。而IGBT截止时，电感L开始放电为负载供电，二极管VD导通，形成回路。IGBT以这种方式不断重复开通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。降压斩波的典型波形如下图所示。图3降压电路波形图图2中的负载为电动机，是一种放电动式负载。反电动势负载有电流断续和电流连续两种工作状态。分别入图3中b）和a）所示。无论哪一种情况，输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：（1-1）Ton表示导通的时；Toff表示截止的时间；A表示导通时间占空比。对于输出电流，当UoE时电流连续，输出电流平均值大小为：（1-2）当UoE时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。于是便出现了电流断续的现象。一般不希望出现电流断续的现象，因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。1.3触发电路的设计斩波电路有三种控制方式：1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型：2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。其中第一种是最常用的方法。PWM控制信号的产生方法有很多。这里我使用的是IGBTtOOOEOtttEMiGttTiGtontoffioi1i2I10I20t1uoa)b)OOTEEiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEETtEtttUonoffononoREUIMoo武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。图4PWM信号产生电路SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。1.4驱动电路设计IGBT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+15V左右的正向栅压比较恰当，武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V，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。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge。以及要有足够的输入输出电隔离能力，要能够保证输入输出信号无这里，我是使用了EXB841集成电路作为IGBT的驱动电路。其具体电路原理图参见附件原理图。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。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。当EXB841输人端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光祸ISO1导通，A点电位迅速下降至0V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20V,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5V)，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8V左右，Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20V，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EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断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。驱动电路原理图如下所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5图5驱动电路原理图1.5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+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，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5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。经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和-5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6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-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5下半部分所示为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，NE555P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90KΩ,C6为100pF，经过5us后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10ms，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5us，这样经过NE555P定时器延迟5ms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。2仿真分析与调试2.1建立仿真模型在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。