毕业设计 基于IGBT的大功率开关电源设计

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1 前言

电源是各类电子设备的重要组成部分，没有一部高质量的电源，难以保证电子设备的正常工作，由于高频开关电源在重量、体积和效率等方面是线性电源无可比拟，因此在许多领域中得到广泛应用。线性电源和开关电源各有自己的特点，线性电源的特点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，使得电源的效率大大降低。相对于线性电源来说，开关电源具有效率高，可靠性和稳定性较好，体积小，重量轻的优点，它对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出，因此，开关电源更能满足现代电子设备的要求。

近些年来，由于新型功率器件和开关集成稳压器的出现，以及电力电子变换技术的进步，使开关电源又有了长足发展。

绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。本系统采用门极可关断功率全控式电力电子器件IGBT，改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，即主开关通断的周期保持不变，而每次通电时间可变。

由于IGBT工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，因为受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而对IGBT的保护设计是电源设计时需要重点考虑的一个环节。本次设计采用富士公司的EXB841驱动芯片，利用其单电源，模块化，过流检测，保护软关断等优点，通过单片机控制实现大功率开关电源电路的设计。

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2 总体方案设计

2.1 方案论述

2.1.1方案一

图2.1 开关电源电路框图

交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到直流电压加到半桥变换器上，用TLP250去驱动功率IGBT管。强电和弱电的分离是通过TLP250来实现的，经过TLP250光耦，放大、整形之后驱动功率IGBT。输入电枢绕组的直流电压经过PWM斩波调制之后，形成所需的控制直流电压。TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，日本东芝公司生产，最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动IGBT的能力，使驱动电路特别简单。

图2.2 TLP250引脚图

TLP250包含一个光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率M0SFET栅极驱动电路。TLP250的管脚如图2.2所示。TLP250驱动主要具备以下EMI

滤波

电路 整流

滤波

电路 桥式

变压

器 输出

整流

滤波

控 制

电 路

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特征：输入阀值电流If=5mA(max)；电源电流Ic =l1mA(max)；电源电压V=10～35V；输出电流L=±0.5A(min)。如何对功率器件IRF840进行驱动是至关重要的，必须首先对此问题加以解决，然后才能在此基础上对控制器进行设计。基于TLP250的电路图如下

图2.3 基于TLP250开关电源

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2.1.2方案二

图2.4 开关电源电路方框图

220V交流电压经过EMI滤波及整流后，得到约300V的直流电压加到桥式变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率IGBT管。本系统采用门极可关断功率全控式电力电子器件IGBT，改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，即主开关通断的周期T保持不变，而每次通电时间可变。实际上就是利用自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流一直流变换器。驱动芯片采用EXB841，通过单片机控制输出触发脉冲，控制IGBT的通断，从而改变输出功率的大小。

2.2 方案论证选择

方案一、二的电路基本结构和原理相似，其主要区别在于驱动芯片的选择： TLP250驱动芯片体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选择，但由于没有软关断功能，它在大功率电路中对IGBT的保护不够；与它相比，EXB841具有单电源，模块化，过流检测，保护软关断等优点，通过单片机控制，操作更灵活，控制更精确，更适合于大功率开关电源电路，所以采用方案二。 EMI

滤波

电路 整流

滤波

电路

辅助

电路 驱动

电路 桥式

变压

器 IGBT

及保护

电路 输出

整流

滤波

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3 基本原理

3.1 斩波电路原理

将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。降压斩波电路时其最基本的一种电路，如图所示，它的原理如下：

（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升

（2）t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。

至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为

（式3—1）

ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比

由此式知，输出到负载的电压平均值Uo最大为E ，若减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。负载电流平均值为

（式3—2）

若负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，负载电流衰减到零，会出现负载电流断续的情况，此时负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

根据队输出电压平均值进行调控的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：

（1）T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）

（2）ton不变，变T —频率调制

（3）ton和T都可调，改变占空比—混合型

PWM(脉宽调制技术)控制系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。

iGEV+-MRLVDa)ioEMuoiG

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图3.1 降压斩波电路原理

3.2 IGBT栅极控制特性

绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种新型的电力半导体器件,它是既具有功率场效应晶体管(MOSFET)高速、高输入阻抗、易驱动的特点,又具有双极达林顿功率晶体管GTO饱和电压低、电流容量大、高反压等优点的电力电子开关器件。为此,所具有的采用电压型驱动、高输入阻抗、开关速度快(可正常工作在几十kHz频率范围内)、开关功率损耗小、通态压降小等一系列优良特性,使得IGBT成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热、有源滤波器、家用电器等需要电流变换场合的理想功率器件。

IGBT与普通晶体三极管一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,而其主要作用为开关器件应用,我们所关注的理所当然的是饱和导通和截止关断这两个工作区间。为此对IGBT 的导通和关断过程的分析和研究就显得十分重要了。图3.2所示为IGBT开关等效电路,图3.3为IGBT 开通与关断时的动态波形图。

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图3.2 IGBT开关等效电路

从图3.2中,我们可知IGBT各极间存在着分布电容CGE、CGC、CCE及射极回路中存在着分布漏感LE ,这些耦合的分布参数是由IGBT 本身的结构所决定的。正是由于这些参数的存在而对IGBT 的开通和关断过程造成不利的影响。由于CCE的数值很小,其影响力亦很小,动态过程分析中一般就忽略不计了。

3.2.1 IGBT的开通过程

图3.3 IGBT开通与关断时动态波形图

如图3.3 所示,在t0 时刻加上触发脉冲Ui,通过电阻RG 给IGBT栅极提供一个驱动

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电压UGE,由于CGE的影响,UGE并不能垂直上升,当UGE在t1时刻达到栅极阈值电压,集电极电流ic从0开始上升,同时也在LE上感应出一个反电势,其随ic的上升而增大,由于其方向是与UGE相反的,故此对UGE的大小和上升率呈现抵消作用,同时它又制约和减缓了ic的增长。CGC所存在的“密勒”效应亦对UGE产生了不利的影响。在t2 时刻,ic 达到最大值,UGE开始下降,并由此使G-C 等效电容CGC放电,这相当于在驱动电路中增加了一种容性电流ICGC ,使驱动电路内阻抗上的压降增加,造成UGE进一步降低,其波形在t2 - t3 段上呈现一种上升趋势的凹形。可以看出驱动电路的内阻抗越低,容性电流ICGC对它的影响就越小。当UCE下降到接近于0(管压降)时, ICGC的影响就微不足道了。ICGC的出现,不但降低了UGE,同时也就延缓了IGBT 的开通过程。在t3 时刻UCE下降到接近于0 的管压降稳定值,ic也进入稳态值阶段,此时IGBT进入饱和导通状态,抑制和阻碍UGE上升的不利因素都已消失,故此UGE能以较快的上升率进入到最大稳定值,至此IGBT的开导过程结束。以上分析的结果表明,IGBT的LE、CGC和驱动电路的电阻都将影响IGBT的开通速度,为此应尽量选择LE、CGC小的IGBT ,同时也应采用内阻小的驱动电路。

3.2.2 IGBT的关断过程

IGBT关断时的波形如图3.3 所示。在t’0 时刻给出关断触发脉冲,Ui下降沿作用于栅极。由于CGE的影响,使UGE不能垂直下降,而是以一定斜率下降,在t’0 - t’1 期间,ic 、UCE维持不变,当UGE下降到一定程度, t1 时刻后, IGBT 进入线性放大工作状态,UCE开始上升,CGC的密勒效应主宰着UCE的上升率,由于CGE和CGC的共同耦合电容效应,致使UGE在一段时间内(t’1 ～t’2 ) 保持一种动态平衡的基本不变。当在t’2 时刻UCE达到动态峰值时,ic 按一定斜率下降至0 ,同时CGE和CGC的放电作用消失,UGC自t’2 下降至t’3 时为0 值;UCE进入稳定状态,关断过程结束。为使关断可靠,触发脉冲Ui 加上了-5V 的负脉冲。以上分析的结果表明, IGBT的CGC、CGE都对关断过程起到延缓和阻碍的作用,故此要选择CGC、CGE小的IGBT;另一个方面内阻小的驱动电路,能使CGC、CGE的充放电电流增加,可以加速UGE下降和UCE上升的速率。

3.2.3 栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响

栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。