IGBT降压斩波电路解读

目 录 1 绪论.............................................................. 1 1.1 电力电子技术的发展史 ......................................... 1 1.2 IGBT模块的简介............................................... 2 2 方案的设计......................................................... 3 3 软件设计........................................................... 4 3.1 主电路的设计 ................................................. 4 3.2 控制电路的设计 ............................................... 4 3.2 驱动电路的设计 ............................................... 5 3.3 保护电路分析 ................................................. 7 3.4参数的选取.................................................... 8 4 仿真结果与分析..................................................... 9 4.1 仿真原理图的创建 ............................................. 9 4.2 参数的设置 ................................................... 9 4.3仿真结果分析................................................. 11 5 总结.............................................................. 15 6 参考文献.......................................................... 16 1

1 绪论 1.1 电力电子技术的发展史 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。 电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的 2

是所能转换的电功率。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

1.2 IGBT模块的简介 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子)，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 3

2 方案的设计 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。电路的结构框图如图1所示。

电源

主电路驱动电路控制电路 图1电路结构框图 在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。 4

3 软件设计 3.1 主电路的设计 降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图2所示。图中V为全控型器件IGBT。D为续流二极管。由图2中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：

iionioffononoaUUTtUtttU （1） 式（1）中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期,a为导通占空比，简称占空比或导通比(a=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

(a)电路图 (b)波形图 图2 降压斩波电路的原理图及波形

3.2 控制电路的设计 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式： 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。

VDLCUo-+-+UEGCRi11UD

+

-

UGE

UD

tttUOton

toff

TUi