IGBT升降压斩波电路设计.doc

电力电子技术课程设计报告

课题名称 IGBT升降压斩波电路设计
专业班级
学 号
学生姓名
指导教师
指导教师职称
评 分

完成日期：2015年1月13日

摘 要
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，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。
升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛，对其做研究有很好的使用意义。
本文首先比较了两种具有升降压功能的DC／DC变换电路，具体地分析了两种DC／DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，通过MATLAB软件中的Simulink部分建模仿真，最后给出了测试结果。
关键词：直流斩波； 升降压； IGBT； 全控型

目录

目录 1
1 设计任务要求 2
1.1 设计任务 2
1.2 设计要求 2
2方案选择 3
2.1方案一 3
2.2方案二 3
3 电路设计 5
3.1 主电路设计 5
3.2 驱动电路设计 6
3.3保护电路 8
4 仿真控制 9
5心得体会 11
参考文献 12
附录1 程序清单 13
附录2 元件清单 14
答辩记录 15

1 设计任务要求
1.1 设计任务
IGBT升降压斩波电路设计（纯电阻负载）
设计条件：（1）输入直流电压，Ud=50V；
（2）输出功率：300W
（3）开关频率5KHZ
（4）占空比10%-50%
(5) 输出电压脉率：小于10%

1.2 设计要求
1，分析题目要求，提出2-3种实现方案，比较并确定主电路结构和控制结构方案；
2，设计主电路原理图，触发电路原理图，并设置必要的保护电路；
3，参数计算，选择主电路及保护电路元件参数
4，利用仿真软件MATLAB等进行电路优化；
5，最好可以建模并仿真完成相关的设计电路。

2方案选择
2.1方案一
该DC／DC变换器为前后级串联结构，前级是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R构成降压变换电路，后级是由2T、2D、L、C构成升压变换电路，其中2D、L、C均出现在前、后级变电 路中。采用PWM 方式控制两个主开关管3T、2T存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。为此增加辅助开关管1T，且3T由NPN型改为PNP型，显然1T、2T是共地的，1T、3T是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。这样，原本通过控制3T、2T来控制电路的工作状态，现在是通过1T、2T来控制，1T称为降压斩波辅助开关，2T称为升压斩波主开关、3T称为降压斩波电路。其电路图如图2.1所示:

图2-1原理图
2.2方案二
该变换器的结构是运用了全控型器件IGBT，其工作原理是：当V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1 ，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。V关断时，L的能量向负载释放， 电流为i2 ，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性 斩波电路。电路图如图2.2。（加书上原理图）

图2-2原理图
方案比较：
方案一虽然实现了升降压,但是利用开关控制升降压的变换，而在方案二中直接采用全控型器件IGBT，利用IGBT的通断控制升降压的变换，电路比较简单，而且容易操作。因此，在设计中我们选择了方案二来实现升降压斩波控制。

3 电路设计
3.1 主电路设计
我们最终采用的主电路图是第二种方案。

图3-1 主电路
设电路中电感L很大，电容C也很大，使得电感电流iL和电容电压即负载电压uO基本为恒值。
该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为il，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。之后使得V关断，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
0TULdt=0 （3-1）
当V处于通态期间，uL=ud；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是:
Ud∙ton=Ud∙toff （3-2）
所以输出电压为：Uo=tontoff∙Ud=tonT-ton∙Ud=α1-α∙Ud （3-3）
当输出端电压恒定且电流连续时，
电感电流连续的临界条件：Lc=R2Dc(1-Dc)2Ts （3-4）
连续模式时的电容值： C=VoDcTsR∆Uo=IoDcTs∆Uo （3-5）
其中纹波电压为∆U0，周期为Ts。
负载电阻 R=PoUO2 （3-6）
其中 Po为输出功率
根据设计要求，开关频率5KHZ，则开关周期时间为0.2ms。另设电压脉率为10%，作为仿真时电感电阻取值时的依据。
3.2 驱动电路设计
由于IGBT是全控型器件，这给了我们利用“软件+驱动电路”的方法去实现对IGBT的开通和关断。通过对PWM信号的调制，实现对IGBT通断的控制。
控制框图如下：

图3-2 驱动电路控制框图
在这里，我利用单片机写程序输出PWM信号。这里的程序可以通过独立按键很好的调整占空比的大小。PWM控制程序如附录1所示。软件流程图如下

图3-3 软件流程图

51单片机作为一款简单有很廉价的控制芯片，在这里被用来作为控制PWM信号的产生和输出，我们采用了Atmel公司生产的AT89C51单片机。其工作频率为12MHZ，我们通过定时器中断的方式来输出周期为0.02ms的PWM波。

图3-4 AT89C51芯片模型
IGBT为电压驱动型器件，因而需要专用的混合集成驱动器，这里我们采用三菱公司生产的M57962驱动模块。其技术指标如下：
特点： 单管大功率IGBT模块驱动器。
M57962的改进型，管脚与M57962完全兼容，缺省参数也基本相同，可以直接代换。
可按默认值直接使用，也可根据需要调节保护盲区区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间。
应用：可驱动IGBT (300A/1200V或 600A/600V) 一只

图3-5 M57962结构图

图3-6 M57962 外部接线图
考虑到单片机I/O口的输出信号电压可以达到5V，而驱动模块M57962的原端输入电压要求为5V，因此可以直接将单片机PWM输出口和M57962的信号输入端13连接。输出端5的PWM信号可以被抬升至到15V，由于IGBT的栅极-漏极开通电压为12V至18V，因此这时从M57962模块输出的信号可以控制IGBT的关断。
3.3保护电路
缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
在无缓冲电路的情况下，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。为了防止IGBT被毁坏，我们需要在IGBT上加关断缓冲电路。缓冲电阻取10kΩ，电容仿真取10000uF。

图3-7 IGBT缓冲保护
晶闸管开通时的di/dt很大，我们需要加开通缓冲电路。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。缓冲电阻取500Ω，电容仿真取0.25uF。

图3-8 二极管缓冲保护
4 仿真控制
通过之前电路方案的选择和元件值的计算，我们利用MATLAB软件建立了仿真模型。 图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型。

图4-1 由IGBT构成的Boost-Buck电路模型

负载输出电压仿真结果如下：

图4-2（a） 占空比为50%时负载的波形

此时L=1.9e-4，C=1.2e-4，R=8.33。

图4-2（b） 占空比为80%时负载的波形
此时L=5.3e-4，C=1.2e-5，R= 133.333。

图4-2（c） 占空比为20%时负载的波形
此时L=0.333e-4，C=7.68e-4，R= 0.5208333。
当占空比为50%时，此时电路为临界状态，理论输出电压应该为50V, 由图6（a）看出，实际输出电压在47V到53V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为80%，此时电路为升压状态，理论输出电压应该为200V，由图6（b）看出，实际输出电压在180V到200V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为20%，此时电路为降压状态，理论输出电压应该为12.5V，由图6（b）看出，实际输出电压在12.3V到12.6V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围。

5心得体会
此次电力电子课程设计，我的任务是绘制保护电路，驱动电路以及使用MATLAB软件中的Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型。通过仿真计算，我深刻的理解了DC/DC电路中升降压部分的精妙之处，通过仿真计算，对升降压电路的理解更上一层楼。
升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛。此次课程设计的实验结果很好的验证了升降压斩波电路的功能特性。
MATLAB是一款高深而有效的工具，在分析升降压斩波电路时发挥了重要作用。其功能强大，应用广泛，通过仿真取代实物，大大降低了实验成本。在这次课程设计中，利用Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型可以轻松求解所需值，通过输出波形验证了理论的正确性，同时节省了人工计算的难度和实践的成本。
这段时间很好的考验了我的学习能力。由于之前对Simulink不是很了解，因此在空闲时间就在看Simulink工具的参考资料。在仿真遇到困难时就去MATLAB论坛向前辈请教或者直接去向师兄请教，很好的锻炼了自己的能力。

参考文献
[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2009.
[2] 王晶，翁国庆. 电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真与应用[M].西安电子科技大学出版社,2008.
[3] 陈坚. 电力电子学[J]. 高等教育出版社.2002.
[4] Lei ,Q. ,Peng . Space Vector Pulsewidth Amplitude Modulation for a Buck–Boost Voltage/Current Source Inverter.[J]. IEEE Transactions on Power Electronics. 2014, 29(1).
[5] 陆治军，王强. 一种新型升降压LED驱动电源[M]. 电源技术.2010.12.

附录1 程序清单
//==========================================
#include<reg52.h>
unsigned int a, b;
//------------------------------------------
void main()
{
TMOD = 0x01; //T0定时方式1
TH0 = (65536-200) / 256; //0.2ms @12MHz 每个周期12/（12*1000000）=0.2ms
TL0 = (65536-200) % 256;
TR0 = 1;
ET0 = 1;
EX0 = 1; EX1 = 1;
IT0 = 1; IT1 = 1;
EA = 1;
a = 0;
b = 10;
while(1);
}
//------------------------------------------
void time0() interrupt 1
{
TL0 = (65536-200) % 256;
TH0 = (65536-200) / 256; //0.2ms@12MHz
a++;
if(a == 20) a = 0; //在这里调整周期.
if(a < b) P1 = 0xff; //在这里通过独立按键调整占空比.
else P1= 0x00;
P2 = ((b / 10) << 4) + b % 10; //显示占空比等级
}
//------------------------------------------
void X0_INT() interrupt 0 //增加占空比
{
b++;
if(b > 19) b = 19; //占空比等级最大为19 ，增大占空比
}
//------------------------------------------
void X1_INT() interrupt 2 //减小占空比
{
b--;
if(b < 1) b = 1; //占空比等级最小为1.减小占空比
}
附录2 元件清单
元件名
型号
参数
数量
IGBT
三菱CM300HA-12H(E)
300A|600V|1U
1
驱动模块
三菱M57962L
600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动
1
单片机
51单片机开发板

1
二极管
1N5200系列

1
电感

0.232mH
1
电感

0.3mH
1
电阻
可调电阻
100
3
电阻
可调电阻
10K
3
电容
无极性电容
120uF
1
电容
无极性电容
250nF
1
电容
无极性电容
10000uF
1
直流电源
可调直流电源
50v
1

答辩记录
1、教师现场提的问题记录在此

15