IGBT降压斩波电路设计（纯电阻负载）

IGBT降压斩波电路设计（纯电阻负载） 摘 要 直流—直流交流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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路在直流交流电路中增加了交流环节，通常采用变压器实现输入输出间的隔离。本次设计将针对斩波电路实现变流。 直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。 直流斩波电路种类包括六种基本斩波电路，本次设计将使用降压斩波电路(Buck Chopper)。 关键词:直流斩波;降压斩波;IGBT I 目 录 摘要 …………………………………………………………………………………? 第一章 总体设计方案………………………………………………………………1 1.1 设计任务 ………………………………………………………………… 1 1.2 功能要求说明………………………………………………………………1 1.3 设计方案及设计原理………………………………………………………1 1.3.1 设计总电路…………………………………………………………1 1.3.2 设计电路原理………………………………………………………1 第二章 电路设计 …………………………………………………………………4 2.1 降压斩波主电路设计………………………………………………………4 2.1.1 电路数学分析………………………………………………………4 2.1.2 参数确定……………………………………………………………5 2.2 IGBT驱动电路设计 ………………………………………………………6 2.3 整流电路设计…………………………………………………………… 6 2.3.1 整流电路选取………………………………………………………6 2.3.2 整流电路分析………………………………………………………7 第三章 系统仿真及结果分析………………………………………………………8 3.1 仿真软件简介………………………………………………………………8 3.2 仿真电路及参数设置………………………………………………………8 3.3仿真结果及分析………………………………………………………… 11 结束语 ………………………………………………………………………………14 参考文献 ……………………………………………………………………………15 附录 总电路图 ……………………………………………………………………16 II 第一章 电路总体设计方案 1.1设计任务 IGBT降压斩波电路设计(纯电阻负载)。 1.2 功能要求说明 1、输入直流电压:Ud=100V; 2、输出功率:300W; 3、开关频率5KHz; 4、占空比10%~90%; 5、输出电压脉率:小于10%。 1.3 设计方案及设计原理 1.3.1 设计总电路 确定降压斩波器电路如图1.1所示: 图1.1 降压斩波(buck)电路原理图 此电路使用一个全控型器件T，图中为IGBT。并设置了续流二极管D，在T关断时给负载中电感电流提供通道。这种电路的电压源性质，负载为电源性质。 UU电路完成把直流电压转换为较低的直流电压的功能。 OS 1.3.2 设计原理 为了分析稳态特性，简化推导，对图1.1做如下假设: (1) IBGT 二极管是理想元件，即可以瞬间导通或截止，没有导通压降(导通时电阻为0)，截止时没有漏电流。 1 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹压与输出电压的比值很小，可以忽略。 则buck电路将有两种工作状态: (1)当IGBT导通如图1.2(a)所示，电源向负载供电，续流二极管因US 反向偏置而截止，电容开始充电，直流通过电感L向负载传递能量。此时，US 电感电流线性增加，储存的磁场能量也逐渐增加。负载R流过电流，两端输IO出电压上正下负。 在一个开关周期内IGBT管T导通时间为。 UTtonOS (2)当IGBT阻断如图1.2(b)所示，由于电感电流不能突变，故通过二极管D续流。电感电流逐渐减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，电感电流降低，L上储能减小。电感电流减小时，电感两端的电压改变极性，二极管D承受正向偏压而导通，构成续流通路，负载电压仍然是上正下负。当电感电流小于负UO 载电流时，电容处于放电状态，以维持和不变。在一个开关周期内IGBTIUTOOS管T断开时间为-。 TtonS 图1.2 Buck电路电感电流连续的工作状态 tT定义IGBT管的导通时间与开关周期的比值为占空比，用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示 DconS tonD, CTS 根据上面的分析，绘出输入输出电压波形如图1.3所示。 2 tUGEofftton TUD Uit UO t 1.3 Buck电路连续工作模式 则由波形可知，Buck电路能够实现直流输入、降压直流输出。 3 第二章 电路的设计 2.1 降压斩波主电路设计 降压斩波主电路如图1.1中除电源与触发电路后的部分。 2.1.1 电路数学分析 主开关导通时，Buck电路工作于图1.2(a)的状态。电源电压通过T加到二极管D的两端，二极管D反向截止。电流过电感，稳态时输入输出电压保持不变，则电感两端电压的极性为左正、右负，忽略管压降有.由于U,U,ULSO储能电感的时间常数远大于开关周期，因而在该电路电压的作用下输出滤波电感中的电流可近似认为是线性增长，直到时刻，达到最大值.电感电流it1iILMAXLL 线性上升的增量为: tU,UU,UU,U1SOSOSO,i,dt,t,DT (2-1-1) L，1CS,0LLL 当主开关管截止时，Buck电路工作在1.2(b)的状态。电感两端的电压极性为左负、右正，二极管导通续流，忽略管压降有，同样可以认为电感U,ULO 中电流可近似认为是线性下降，下降量绝对值为: iL tUUU2OOO,i,dt,(t,t),(1,D)T (2-1-2) L,12CS,t1LLL 当电路工作在稳态时，电感波形必然周期重复，开关管T导通期间电感中iL 的电流增加量等于其截止时电感中的减少量，即 ,i,,i (2-1-3) L，L, 联合式(2-1-1)和(2-1-3)可得: U,DU (2-1-4) OCS 由式(2-1-4)可知，改变输出电压的办法既可以调整输入电压，也可以改变占空比。在输入电压一定的情况下，改变占空比则可控制输出平均电压。输出 UU平均电压总是小于输入电压。连续导通模式下Buck电路的电压增益M为 OS 4 UO (2-1-5) M,,DCUS 2.1.2 参数确定 当电感较小、负载电阻较大，则负载电路的时间常数较小，或当开关周期TS较大时，将出现电感电流已下降到0，但新的周期却没有开始的情况，即出现了电感电流断续。如果在时刻电感电流刚好降到零，则为电感电流连续的临界TiSL 状态，如图2.1。 此时负载电流和间的关系为 IiOL 图2.1Buck电路电感电流处于临界状态 (2-1-6) ,i,2ILO 其中 UOI, (2-1-7) OR 联合式(2-1-2)、式(2-1-6)和式(2-1-7)用下标C表示临界参数值，则 (1,)(1,)(1,)DUDUDCOCOC,,,LRTTT (2-1-8) CSSS222I2PO0 P0,U0I0式中P为输出功率(W)，。 0 ,U,U经过电容的电流对电容充电产生的电压，与参数的关系表达式为: (1)U,D2OC,U,T ( 2-1-9) OS8LC ,U则根据要求的和其他参数可求得电路的电容: (1)U,D2OCC,T (2-1-10) S8L,UO 根据设计要求，开关频率为5KHz(Ts=1/5000)，输入电压为直流100V,选择负载电阻为20Ω，确定占空比为Dc=25%。根据式(2-1-8)选择电感 1,0.251L,，,1.5e-3H 25000 5 这个值是电感电流连续与否的临界值，要保证电感电流连续，实际电感值可选1.2倍临界电感，可选1.8e-3H。 根据式(2-1-10)选择电容:输出脉率要小于10%，选为2%，则有 225，1,25%1，，,, C,，,1e-3F,,8，1.8，0.0001，0.002，255000,, 2.2 IGBT驱动电路设计 本设计以ICL8038为核心，实现占空比可变电压信号的输出以触发IGBT。 ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ,300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 ICL8038的引脚图如图2.2所示。 图2.2 ICL8038引脚图 方波信号由函数发生器ICL8038产生的原理图如图2.3所示 图2.3 ICL8038用于方波波信号发生 6 2.3 整流电路设计 2.3.1 整流电路选取 本设计采用桥式电路整流:由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得: 2444,, V,2v,cos2,t,cos2,t,cos6,t...,,outin31535,,,,,, (2-3-1) 由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本电路要求有稳定的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压。 整流电路的原理图如图2.4所示: 图2.4 整流电路图 2.3.2 整流电路分析 如图2.4所示，输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1(原线圈/副线圈为2.2/1)后输出100V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压(幅值为100V左右)。 7 第三章 系统仿真及结果分析 3.1 仿真软件简介 此次仿真使用的是MATLAB软件。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 写方程，而只需通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 3.2 仿真电路及参数设置 仿真电路如图3.1。 具体参数设置如下: (1)直流电压值为100V，设置如图3.2所示。 图3.2 电压参数设置 8 图3.1 降压斩波的MATLAB电路的模型 9 (2)电阻R值设为20Ω，如图3.3所示。 图3.3 电阻参数设置 (3)电感L值设为1.8e-3H，如图3.4所示。 图3.4 电感参数设置 (4)电容C值设为1e-3F，如图3.5所示。 图3.5 电容参数设置 10 (5)开关频率要求5KHz，设置周期为2e-4s，依次调节占空比，如图3.6 所示。 图3.6 周期及占空比参数设置 (6)设置示波器的显示时间范围为0.001s，如图3.7所示。 图3.7 示波器显示范围参数设置 3.3 仿真结果及分析 调节触发信号，使IGBT的开关频率为5KHz、触发信号电压占空比为D=25%，通过示波器观察参数IGBT门极触发脉冲Ug、IGBT电流IT、二极C1 管电流ID、电感电压UL、电感电流IL波形，如图3.8。 11 图3.8 占空比Dc=25%各测量参数波形 调节触发电路，输出不同占空比的矩形波信号，并分别测触发波形和输出电压波形，如图3.9~3.12。 图3.9 占空比Dc=40%触发信号与输出信号 图3.10 占空比Dc=60%触发信号与输出信号 12 图3.11 占空比D=80%触发信号与输出信号 图3.12 占空比D=99%触发信号与输出信号 图3.8从上到下的波形依次为IGBT门极触发脉冲Ug、IGBT电流IT、二极管电流ID、电感电压UL、电感电流IL。电感电流连续，波形与图1.3的理论波形规律一致。 tonD, 由公式，，可得: U,D,UCdCiTS 当D=0.25，U理论值U=25V，仿真值=24.14V。相对误差3.44%; UCddD 当D=0.40，U理论值U=40V，仿真值=39.16V。相对误差2.1%; UCddD 当D=0.60，U理论值U=60V，仿真值=59.10V。相对误差1.5%; UCddD 当DUU=0.80，理论值=80V，仿真值=79.04V。相对误差1.2%; UCddD DUU 当=0.99，理论值=99V，仿真值=97.99V。相对误差1.02%。 UCddD 仿真所得数据与理论值相对误差符合设计要求。 13 结束语 经过几天的努力我终于顺利完成了此次电力电子的课程设计，在这个过程中遇到了许多困难但通过解决困难也学到了很多知识。 首先，一开始着手设计时对电路的选择比较茫然，不知道如何下手。通过熟悉教材相关章节和在线搜索相关知识，使问题得到了解决。 然后，在确定好设计电路后，计算元器件参数时由于缺乏理论基础不知道如何计算相应参数。在熟悉了电路原理和电路各点电压或电流参量的推导后问题也得到解决 后来在进行MATLAB仿真时由于对软件不熟悉，遇到了不少操作上的问题，而且对元器件库不了解，致使花费了很多时间才达到预期的效果。不过通过自己不断的摸索现在对Simulink的常用元件的寻找及绘图仿真、获取仿真结果都比以前熟悉很多了。 最后，我要感谢本学期教授我们电力电子技术这门课的***教授，他不仅使我对电力电子这个领域有了初步的了解以及长足的兴趣，而且通过*教授的言传身教我感受到了一种严谨、实事求是的治学精神。 14 参考文献 [1] 王兆安，刘进军.电力电子技术,,,.5版.北京:机械工业出版社，2009. [2] 张振飞、陆秀令.电力电子技术及交直流调速技术试验指导书,,,.衡阳:湖南工学院，2009. [3] 周克宁.电力电子技术,,,.北京:机械工业出版社，2004. [4] 黄家善.电力电子技术,,,.北京:机械工业出版社，2004. [5] 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南,,,.北京:机械工业出版社，2001. 15 附 录 用protel99绘制总电路图如下: 总电路图 16