电力电子技术摘要

摘要随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。

电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。

开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。

伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。

开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

直流斩波降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

关键字：电力电子技术直流斩波 IGBT 开关电源目录1设计原理分析 (1)1.1总体结构分析 (1)1.2主电路的设计 (1)1.3触发电路的设计 (2)1.4驱动电路设计 (3)1.5整流滤波电路 (5)2. 设计总电路图及参数 (6)2.1设计总电路图 (6)2.1 元件参数计算 (8)3. matlab仿真分析 (9)3.1 建立仿真模型 (9)3.2 仿真结果分析 (11)3.3 存在反电动势的分析.................................................13 小结.......................................................................16 参考文献 (17)IGBT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EM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。

iGi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：tonton（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Uo>E时电流连续，输出电流平均值大小为：（1-2）R当Uo<E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触发电路的设计根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。

图4 PWM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将信号放大。

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+15 V左右的正向栅压比较恰当，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20 V，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相互影响。

我采用的IGBT的驱动电路是专用的混合集成驱动器，下面给出的是三菱公司的M57962L型IGBT驱动器的接线图。

这些混合集成驱动器内部都有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。

M57962L输出的正驱动电压均为+15V 左右，负驱动电压为-10V。

第6/20页图5 M57962L型IGBT驱动器的接线图1.5整流滤波电路由于生活中给的都是220V的交流电，所以我们在进行直流斩波时，第一步是把交流电进行变压整流滤波成为直流电压。

下面是我使用的整流滤波电路。

电容为滤波电容。

具体电路如下图。

图6 整流滤波电路2.设计总电路图及参数2.1设计总电路图经过以上对整流滤波电路，主电路，触发电路，驱动电路的分析与设计，得到直流降压斩波电路的总电路图如下图所示。

第8/20页图7 总电路图2.1 元件参数计算，，我令直流电压输入，则由BUCK降压斩波电路公式得导通占空比为50%，在此为了方便令，故。

根据之前电路分析，电感应为无穷大，故取。

另外，为了使输出的波形更加稳定，我在R上并联了滤波电容C，取。

ng 根据设计要求UdddM又有前述可知要求供给斩波的直流电压为200V。

则变压器二次侧电压有效值为：(1-二次侧电流最大有效值为：变压器容量为：(1-(1-(1-4) 一次侧电流最大有效值为：对于IGBT，它所承受的最大电压为200V，最大电流为10A。

由于IGBT 很容易过电损坏，选择器件是留足两倍的裕量。

则选择IGBT的额定电压为400V，额定电流为20A。

另外，续流二极管承受最大电压和电流与IGBT相同，也采用相同方式来整定器件参数，即其额定电压也与IGBT相同。

3.matlab仿真分析3.1 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。

先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。

仿真电路图如下图所示。

图8 直流斩波电路simulink仿真图根据上面的参数分析，在此仿真电路中直流电源为200V，电阻为10Ω，大电感取10H，滤波电容为0.1F。

而脉冲的占空比为50%，参数选定如下图。

图9 脉冲发生器的参数选定此外设定好元器件的参数之后,还需要设置仿真算法和仿真时间。

我的设置如下图所示。

图10 仿真时间参数图由图可见，我定10S的仿真时间。

设置的仿真算法是ode45。

3.2 仿真结果分析当占空比为50%时的输出电压，输出电流波形如下图所示。

第13/20页图11 50%占空比波形由波形可知输出电压近似直线，近似为100V，由于电感为有限大，所以电流存在波动。

即输出电压，电流与理论值都存在很小的误差。

但考虑到其他元件自身的阻抗作用，这种误差是能够容许的。

故在误差允许范围内，仿真实现了设计要求。

当占空比为20%时的输出电压，输出电流波形如下图所示。

第14/20页图12 20%占空比波形当占空比为20%时，输出电压近似为40V，由此可知当占空比由0%到50%变化，可得到0V到100V的输出电压，实现连续调节。

3.3 存在反电动势的分析当负载为反电动势负载时，Uo>E时才会有电流。

设定E为40V，内阻为6Ω。

要使输出电压100V时电流连续可调，则占空比必须大于20%。

仿真模型的电路图如下所。

图13 存在反电动势的仿真电路图占空比为50%的仿真波形如下图所示。

第16/20页占空比为20%的仿真波形如下图所示。

图15 20%占空比l波形由上面的分析，当存在反电动势时与纯电阻的情况不太一样，主要是由于当d小于EM时，电流出现断续，所以占空比必须大于20%。

所以连续调节从20%到50%，输出电压从40V到100V。

小结在此次课程设计中，我做的是降压直流斩波电路，其要求是输出电压为100V，电流为10A。

在电力电子技术中，我们学习了直流斩波原理，故此次课程设计更加加深了我对这一章的了解。

其中整个电路包括整流滤波电路，降压直流斩波主电路，以及IGBT的触发电路和驱动电路。

触发电路使用的是PWM控制，驱动电路将其信号放大，控制IGBT的关断和导通，从而改变输出直流电压的大小，达到连续调节的目的。

首先我使用Altum Designer软件绘制了系统的硬件图。

这是我第一次使用这个软件，因为触发电路和驱动电路要分别使用SG3525芯片和M57962L芯片，在Protel软件中无法找到，故我只好使用Altum Designer软件绘图。