基于IGBT器件的大功率DC-DC电源技术方案

毕业设计（论文）任务书教研室（学科组）主任签字：毕业设计开题报告基于IGBT的变频电源设计系别：班级：学生姓名：指导教师：20 年月日附页：开题报告基于IGBT的变频电源设计一．选题依据：电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用的最为广泛。

可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备，它不仅提供优质电能，还对科学技术的发展产生巨大的影响。

所有用电设备对供电电压、频率、功率都有一定的要求。

如一般的电子设备要求电网220V电压的变化在±10%以内频率50Hz供电系统的功率要足够的大，如果达不到这个要求，设备就不能保证正常工作，甚至可能损坏。

一些精密电子仪器对电压稳定、频率、功率的要求更为严格。

变频电源正是为满足负载的稳压、频率、功率需求而产生的，其功能是在输入电压或负载在一定范围内变化时自动保持输出电压、功率基本不变并且频率不随负载的性质而变化。

变频电源已形成了一个独立的技术领域和一个巨大的市场，在工业、科研、国防等各个方面得到越来越广泛的应用。

现在，电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源已成为必然。

传统的稳压电源一般都是线性电源，这种电源效率低、体积大。

随着技术的发展，开关电源的开关频率越来越高，使得电源的小型、轻量化成为可能。

电源工作在开关状态，从原理上讲是低损耗的。

本课题设计的基于IGBT的变频电源设计就是用新型的开关电源取代传统电源，其特点就是效率高、体积小、保护完善等。

变频电源的分类：●根据输出波形方式，可分为正弦波、方波、三角波等。

●根据输出功率大小方式，可分为大功率、中功率、小功率等。

二．变频电源组成：电源功能及整体结构市电单相电压(220V)经整流滤波后供给逆变电路，IGBT在驱动信号作用下将整流滤波后的直流电变成一定电压、一定频率的交流电，经隔离滤波后供给负载。

IGBT的固态高压脉冲电源的设计原理由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。

为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，文中提出了一种基于IGBT的高压脉冲电源，系统主要由高压直流充电电源和脉冲形成电路两部分组成，由DSP作为主控制芯片，控制IGBT的触发和实现软开关技术，并用仿真软件PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析，验证了设计思想的正确性。

由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用。

比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面，都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。

无论将此高功率脉冲电源用于何种用途，高压脉冲电源均是其设计的核心部分。

传统的高功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，然后采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节，脉冲波形易变化，可靠性较低，控制较困难，成本较高。

文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。

将IGBT 作为获取高压脉冲的电子开关，利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源，同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路，输出双极性高压脉冲波形。

文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明，通过仿真电力电子仿真软件PSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。

1 高压脉冲电源系统结构1.1 高压脉冲电源的拓扑结构高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。

电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。

优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡;但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。

大功率dcdc电路
大功率DC/DC电路是电源转换电路的一种，主要用于将直流输入的电源转换为直流输出，并且可以通过调节占空比或调频等方式来实现输出电压或电流的调节。

相对于线性电源，DC/DC电路具有更高的效率、更小的体积和更低的成本等优势，因此在现代电子系统中得到了广泛的应用。

大功率DC/DC电路的设计需要考虑许多因素，包括输入和输出的电压和电流、电路的效率、散热设计、电磁兼容性等。

常用的电路拓扑结构有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等，其中BUCK-BOOST电路可以实现输入和输出电压极性的变化，因此在需要负电压输出的应用中得到了广泛的应用。

在大功率DC/DC电路中，开关元件的选取和驱动方式也是需要考虑的重要因素。

常用的开关元件有硅开关管和氮化镓开关管等，驱动方式可以通过自行设计驱动电路或采用现成的驱动芯片来实现。

此外，大功率DC/DC电路中的磁元件也是非常重要的，包括电感和变压器等。

磁元件的设计需要考虑磁芯的材质、线圈的匝数和线径、气隙等参数，同时也需要考虑磁元件的散热设计和电磁兼容性等问题。

总的来说，大功率DC/DC电路的设计需要综合考虑各种因素，包括电路拓扑结构、开关元件和驱动方式、磁元件设计等，同时也需要借助仿真软件进行设计和优化。

车用DC/DC大功率电子器件研发方案一、实施背景随着中国汽车工业的飞速发展，对于车用电子器件的需求日益增长。

DC/DC转换器作为汽车电源管理系统中不可或缺的部件，其性能优劣直接影响到汽车电源的稳定性和效率。

目前，国内DC/DC转换器市场主要被国外厂商所占据，国产化率低、进口依赖度高。

因此，开展车用DC/DC大功率电子器件研发，提升国产化率，具有强烈的现实意义和巨大的市场潜力。

二、工作原理DC/DC转换器的主要工作原理是通过电磁转换将一个固定电压等级的直流电源转化为另一个固定电压等级的直流电源。

具体来说，它由输入滤波器、开关管、PWM控制器、输出滤波器和负载组成。

通过控制开关管的通断时间，实现输出电压的稳定控制。

三、实施计划步骤1.研发团队组建：组织一支由电力电子、机械设计、控制算法等专业的研发人员组成的团队。

2.技术调研：收集国内外DC/DC转换器的相关资料，进行深入的技术调研和可行性分析。

3.方案设计：根据调研结果，制定详细的研发方案，包括硬件设计、软件编程、控制策略等。

4.样品制作与测试：按照设计方案制作样品，并进行严格的性能测试，包括效率、温升、电磁兼容性等。

5.优化改进：根据测试结果，对设计方案进行优化改进，提高产品性能。

6.产业化准备：与汽车厂商合作，了解市场需求，进行产业化准备。

四、适用范围本方案适用于汽车电源管理系统中的各类DC/DC转换场景，包括但不限于车载电子设备、发动机控制器、电池管理系统等。

五、创新要点1.高效能：通过优化电路设计和控制策略，提高DC/DC转换器的效率，降低能量损失。

2.高稳定性：采用先进的热设计和材料选择，确保DC/DC转换器在恶劣的汽车环境中稳定工作。

3.高集成度：通过模块化和集成化设计，减少DC/DC转换器的体积和重量，提高其集成度。

4.智能化控制：引入先进的控制算法和传感器技术，实现DC/DC转换器的智能化控制和优化管理。

六、预期效果1.提高国产化率：通过自主研发，降低对进口DC/DC转换器的依赖，提高国内市场的国产化率。

大功率IGBT驱动技术1 引言电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用;而IGBT在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动IGBT工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。

在使用IGBT构成的各种主回路之中，大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。

因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。

大功率IGBT驱动保护电路一直伴随IGBT技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率IGBT驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选;也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率IGBT驱动保护电路。

本文对这些大功率IGBT驱动保护电路进行分类，并对该电路需要达到的一些功能进行阐述，最后展望此电路的发展。

此外本文所述大功率IGBT驱动保护电路是指应用于直流母线电压在650V～1000V范围、输出电流的交流有效值在100A～600A范围的场合。

2 大功率IGBT驱动保护电路的分类按照大功率IGBT驱动保护电路能够完成的功能来分类，可以将大功率IGBT 驱动保护电路分为以下三种类型:单一功能型、多功能型、全功能型。

2.1 单一功能型单一功能型的大功率IGBT驱动保护电路一般是由光耦和功率缓冲器构成，如hcpl-3150 等，如图1所示。

它将普通控制信号的ttl/cmos输入电平信号转变为正负十几伏的IGBT门极驱动输出电平，正负电平的幅值取决于隔离电源图1 hcpl-3150原理框图及引脚示意图工程师进行设计时可将它配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等，就可直接驱动IGBT，形成最简单的大功率IGBT驱动保护电路;也可以自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器。

单一功能型的大功率IGBT驱动保护电路的最大优点是应用灵活、成本较低。

大功率IGBT并联驱动电路设计随着工业的发展，对于IGBT的电压等级和电流等级的要求也越来越高。

目前国内外市场上IGBT电压等级最高为6500V，电流等级最大到3600A。

对于中小功率应用场合，完全可以采用较高电压等级和较大电流等级的IGBT来满足对系统更高的要求，通常1700V和1000A 的IGBT就可以满足要求，而且市场供应量充足，价格适中。

但在高压大功率场合，若对IGBT的电压和电流要求接近市场上的较大值时，如6500V的IGBT，价格昂贵，且国外对中国有出口限制(不能用于军事用途)，此时就要考虑采用IGBT并联和串联扩容。

由于IGBT的特性依赖于其结构和工艺参数，lGBT并联和串联时存在静态和动态不均流和不均压，除了选择参数一致的IGBT模块外，通过设计适当的驱动电路也是解决IGBT并联和串联存在的问题的有效途径。

1. IGBT并联静态均流的研究当两个及以上IGBT并联时，由于模块不一致的静态和动态特性会导致电流分配不均。

在IGBT处于稳态运行时，影响均流的因素主要是IGBT的输出特性。

如图1所示，两个输出特性不一致的IGBT并联运行时，饱和导通压降V CEsat低的管子会分担更多的电流。

图1 IGBT模块输出特性比较图中，V01，V02-Q1，Q2的集电极电流为零时对应的集射极电压ΔV1，ΔV2-电流为I C1，I C1时对应的两管通态电压变化量。

Q1，Q2的输出特性可近似描述为：Q1，Q2并联，有：由此可见，当V01～V02时，IGBT的通态电阻(即输出特性斜率的倒数V CE/I C)是影响电流不均衡的主要因素。

因此为了实现静态均流，应选择饱和压降一致的IGBT模块。

图2 仿真电路图针对IGBT输出特性对静态均流的影响做仿真，IGBT模块选择三菱CM600HA-24H，额定电流600A，额定电压1200V，饱和压降2.5V。

同时选择CM600HA-28H模块，额定电流600A，额定电压1400V，饱和压降3.1V。

北京工业大学毕业设计（论文）摘要针对晶体管串联提供稳压电源的具有体积很大而且笨重的工频变压器，体积和重量都很大的滤波器，占用较大空间，质量较大，效率较低不适用现在电子技术的发展的的缺点，提出了发展新型电源的意见。

为了能够适用电力电子越小型化、轻型化的要求，开关电源随之出现。

开关电源采用功率半导体作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空来调整输出电压，因为开关电源是直接对电网电压进行整流、滤波、调整，不需要电源变压器，工作频率高，滤波电容小、电感小，所以体积相对较小，而且开关电源的功耗较低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。

开关电源的发展促使了电力电子器件朝着轻薄化的发展，开关电源有多种拓扑结构，选择合适的拓扑结构，合适的器件，是设计开关电源的重中之重。

反激式开关电源因其结构和成本方面的优势在小功率电源领域有着不可替代的作用，是小功率供电电源的首选。

关键字：开关电源；拓扑结构；变压器; 稳压管IABSTRACTSeries to provide power supply for the transistor with large and bulky size-frequency transformers, size and weight are great filters, occupy a larger space, the quality of larger, less efficient not apply to the development of electronic technology is now the paper proposed the development of new power views.In order to apply more power electronics miniaturization and light requirements, switching power supply soon.Switching power supply using power semiconductor devices as switches, through periodic on-off switch, control switch to adjust the air component of the total output voltage, because switching power supply is directly rectified mains voltage, filter, adjustment, no power transformer, high frequency, filter capacitance, inductance is small, so relatively small size, low power consumption and switching power supply on the application of strong power, so switch power gradually replaced the traditional power.Switching power supply prompted the development of power electronic devices toward the light of the development of a variety of switching power supply topology, select the appropriate topology, the appropriate device, is the top priority of switching power supply design. Fly back type switch power supply plays a role that cannot be replaced because of its structure and low cost, it can be the best choice for low power source.Keywords：switch power supply;Topology Structure;Transformer; stabilivolt目录摘要 (I)ABSTRACT ........................................................... I I 第一章绪论.................................................... - 4 -1.1 课题的背景以及选题意义................................. - 4 -1.2 本课题的主要研究内容................................... - 5 - 第二章主电路的选择以及原理.................................... - 6 -2.1 开关电源的几种基本的拓扑结构........................... - 6 -2.1.1 Buck电路......................................... - 6 -2.1.2 Boost电路........................................ - 7 -2.1.3 Buck-boost电路................................... - 8 -2.2 主电路拓扑结构的选择................................... - 9 -2.2.1 电路拓扑结构选择要注意的问题..................... - 9 -2.2.2 基本拓扑结构的对比............................... - 9 -2.2.3 主电路拓扑结构的选择............................ - 10 -2.3 单端反激电路.......................................... - 11 -2.3.1 单端反激电路的基本原理.......................... - 11 -2.3.2 单端反激电路的工作波形图........................ - 12 -2.4 本章小结.............................................. - 12 - 第三章控制电路的选择及原理................................... - 13 -3.1 控制电路.............................................. - 13 -3.1.1 电压型集成控制电路.............................. - 13 -3.1.1 电流型集成控制电路.............................. - 14 -3.2 UC3843的原理及参数 ................................... - 15 -3.3 UC3843工作描述 ....................................... - 17 -3.4 本章小结.............................................. - 19 - 第四章 DC-DC开关电源整体设计................................. - 20 -4.1 DC-DC开关电源的框图设计 .............................. - 20 -4.2 DC-DC开关电源中主要元器件 ............................ - 21 -4.2.1 功率开关晶体管.................................. - 21 -4.2.2 光电耦合器...................................... - 23 -4.2.3 TL431 ........................................... - 25 -4.2.4 变压器.......................................... - 25 -4.3 本章小结.............................................. - 26 - 第五章 Protel电路仿真....................................... - 27 -5.1 Protel软件 ........................................... - 27 -5.2 电路原理图............................................ - 27 -5.3 PCB版图 .............................................. - 28 -5.4 本章小结.............................................. - 28 - 第六章电路板的调节........................................... - 29 -6.1 工作状态波形图........................................ - 29 -6.2 本章小结.............................................. - 32 - 第七章电路板的焊接........................................... - 33 -6.1 电路板焊接方法........................................ - 33 -6.2 电路板焊接注意事项................................... - 33 -6.3 本章小节............................................. - 34 - 第八章总结................................................... - 35 -参考文献....................................................... - 36 - 致谢........................................................... - 37 - 附录电路图.................................................... - 38 -第一章绪论1.1 课题的背景以及选题意义开关电源的前身是线性稳压电源。

隔离型全桥DC-DC电源的设计方案全桥结构在电路设计当中有着相当广泛的作用。

本文介绍了一种基于全桥DC-DC的隔离电源设计。

文中提及的半桥IGBT板为两组隔离的正负电压输出，这样做是为了能够成为IGBT的驱动及保护。

并且在实践设计时，需要根据选择的IGBT开关管参数和工作频率，来确定驱动板电源功率。

而后对原边共用全桥控制的DC-DC电源设计进行了介绍，给出了变压器的选择方法。

1.IGBT半桥集成驱动板电源特点半桥IGBT的有效驱动和可靠保护都由半桥IGBT集成驱动板来实现。

半桥IGBT 集成驱动板自身必须具备两路DC-DC隔离电源，该电源要求占用PCB面积小、体积紧凑、可靠性高，并且两组电源副边完全隔离。

在大功率半桥IGBT 集成驱动单元的项目中，针对驱动单元需要高效、可靠的隔离电源，设计了一种电源变压器原边控制拓扑，即两组隔离电源变压器原边共用一组全桥控制的思路，提高了电源功率密度和效率，节省了功率开关数量。

全桥开关管巧妙搭配，无需隔离驱动，减少了占用集成驱动板上的PCB面积。

半桥IGBT集成驱动板在两路驱动上表现出负载特性一致的原因是，因为上下半桥当中两个单元IGBT的性能参数一致，并且采用同体封装。

因此在IGBT半桥集成驱动板的电源设计中，两组隔离的DC-DC电源原边完全可以共用一组控制电路。

IGBT半桥集成驱动板一般镶嵌在IGBT功率模块上，它对驱动板的要求有两个：第一是半桥集成驱动板对PCB面积、体积要求很高，要求尽可能减小PCB面积和体积;第二因为驱动IGBT需要的功率较大，对板上电源的功率密度、效率要求也较高。

2.原边共用全桥控制的DC-DC电源设计本设计采用了两个变压器原边共用，也就是全桥电路控制DC-DC电源变压器。

正常模式下两个全桥变换拓扑需要两组全桥开关，同时全桥开关的脉冲驱动电路也为两组共8路PWM脉冲。

采用共用全桥拓扑节省了控制电路和全桥开关，简化了DC-DC隔离电源电路。

紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计电路原理图新型电力电子器件IGBT作为功率变换器的核心器件，其驱动和保护电路对变换器的可靠运行至关重要。

集成驱动是一个具有完整功能的独立驱动板，具有安装方便、驱动高效、保护可靠等优点，是目前大、中功率IGBT驱动和保护的最佳方式。

集成驱动一般包括板上DC-DC隔离电源、PWM信号隔离、功率放大、故障保护等4个功能电路，各功能电路之间互相配合，完成IGBT的驱动及保护。

输入电源为板上原边各功能电路提供电源，两路DC-DC隔离电源输出分别驱动上、下半桥开关管，同时为IGBT侧故障检测和保护电路提供电源，因此集成驱动板上电源是所有电路工作的前提和基础。

文中的半桥IGBT集成驱动板需要两组隔离的正负电压输出，作为IGBT的驱动及保护电路电源。

由IGBT的驱动特点可知，其负载特性类似于容性负载，要达到可靠、快速的开通或关断，就要求电源具有很好拉／灌电流能力，即良好的动态特性。

半桥IGBT由上、下两路开关管组成，型号相同，导通、关断的驱动电压、电流特性一致，作为双路隔离DC-DC电源的负载，其负载特性是稳定的。

因此可以设计两路隔离电源，按照所要驱动的最大负载设计，不需要进行反馈控制。

实际设计时必须依据选用的IGBT开关管参数和工作频率，核算驱动板电源功率是否满足，若不满足，则需重新选用开关管。

1IGBT半桥集成驱动板电源设计1．1IGBT半桥集成驱动板电源特点电力电子变换拓扑中，以半桥IGBT为基本单元进行的拓扑设计最为广泛，相应地对其有效驱动和可靠保护由半桥IGBT集成驱动板实现。

半桥IGBT集成驱动板自身必须具备两路DC-DC隔离电源，该电源要求占用PCB面积小、体积紧凑、可靠性高，并且两组电源副边完全隔离。

在大功率半桥IGBT集成驱动单元的项目中，针对驱动单元需要高效、可靠的隔离电源，设计了一种电源变压器原边控制拓扑，即两组隔离电源变压器原边共用一组全桥控制的思路，提高了电源功率密度和效率，节省了功率开关数量。