IGBT升压斩波电路的设计2解读.pdf
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1、1 1 设计要求与方案 1.1 设计要求 利用IGBT 设计一个升压斩波电路。 输入直流电压 U d =50V , 输出功率 P=300W , 开关频率为 5KHz ,占空比 10% 到50% ,输出电压脉率小于 10% 。 1.2 设计方案 根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1 所示。 图1 在图1结构框图中,控制电路用来产生IGBT 升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 与公共端之间, 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升压斩波电路工作。 控制电路中保
2、护电路是用来保护电路,防止电路产生过 电流、过电压现象而损坏电路设备。 主电路驱动电路 电源 触发电路 2 2 升压斩波电路设计方案 2.1 升压斩波主电路电路工作原理原理图 本设计为直流升压斩波( boost chopper )电路,该电路是本系统的核心。应 为输出电压比较大,故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小,开关频率高, 开关时间小的大功率IGBT 管。在 IGBT 关断时给负载中电感电流提供通道,设 置了续流二极管 VD。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。 原理图如下图 1 所示: 图 1 主电路仿真图 左边 E 为输入直流 50V电压,
3、右边为 U0斩波电压输出。 IG为 SG3525输出的 PWM 斩波信号。 V为 IGBT ,VD为电力二极管, L为电感, C为电容, R为负载。 原理分析:首先假设电感L 值很大,电容 C值也很大。当 IG为高电平时, V 导通, 50V电源向 L 充电,充电基本恒定为, 同时电容 C上的电压向负载 R供 电,因 C值很大,基本保持输出电压 o u 为恒值,记为 o U。设 V处于通态的时间 为 on t,此阶段电感 L 上积储的能量为 1 on EI t。当 V 处于段态时 E和 L 共同向电容 C充电,并向负载R 提供能量。设V 处于段态的时间为 o t,则在此期间电感L 释放的能量为
4、 01 () off UE It。当电路工作于稳态时,一个周期T 中电感 L 积储的 3 onoff 0 offoff ttT UEE tt T off t E -1 1 E 1 U0 off t T 能量于释放的能量相等,即 101 () onoff EI tUE I t (2-1) 化简得 (2-2) 上式中的 off /1T t,输出电压高于电源电压。式(2-1)中 off /T t为升压比,调节 其大小即可改变输出电压 o U 的大小。 升压比,调节其即可改变 0 U。将升压比的倒数记作 ,即 和导通占空比,有如下关系: 1(2-3) 因此,式( 2-2)可表示为: (2-4) 升压斩
5、波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因:一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用,二是电容 C 可将输出电压保持住。 在以上分 析中,认为 V 处于通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo 不变,但实际上 C 值不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,U。必然会有所下降,故实际输出 电压会略低于理论所得结果,不过,在电容C 值足够大时,误差很小,基本可 以忽略。 4 2.2 触发电路的设计 电路主要用来驱动IGBT 斩波。产生 PWM 信号有很多方法,但归根到底不 外乎直接产生 PWM 的专用芯片、单片机、 PLC、可编程逻辑控制器等本电路采 用直接产生 PWM 的专用芯片 SG35
6、25.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电 阻电容,就能产生特定频率的PWM 波,通过改变IN+输入电阻就能改变输出 PWM 波的占空比,故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM 控制。为了提高安 全性,该芯片内部还设有保护电路。 它还具有高抗干扰能力, 是一款性价比相当 不错的工业级芯片。 为了减少不同电源之间的相互干扰,SG3525输出的 PWM 经过光电耦合之 后才送至驱动电路。其电路图如下图2 所示: 图 2 PWM 触发电路 工作原理:通过 R2、R3、C3 结合 SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振 荡器。此时形成脉冲信号,再将脉冲信号通过SG3525AN 的 OUTA、OU
7、TB 端 输出整流,送到光电耦合器去将信号放大。 5 2.3 触发脉冲的放大 脉冲的放大电路如图3 所示。 脉冲信号经过光电耦合器U2隔离输出,最后 经过 Q2放大输出到 IGBT的门极 g 图 3 脉冲放大电路 工作原理: 其产生的 PWM 信号由 OUTA、OUTB 输出,通过 PWM 触发电路调节 R7 可以改变占空比。输出的PWM 信号通过二极管 D6、D7 送至光电耦合器U2, 光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电 路具有信号稳定,安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM 斩波电路。 6 2.4 驱动电路设计 2.4.1 驱动电路原理图 IGB
8、T 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
9、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。 这里,我是使用了EXB841 集成电路作为 IGBT 的驱动电路。 EXB841 芯片 具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,是一种比较典型 的驱动电路。 当 EXB841 输人端脚 14 和脚 15 有 10m A 的电流流过时,光祸ISO1 导通, A 点电位迅速下降至 0 V,V1 和 V
10、2 截止;V2 截止使 D 点电位上升至 20 V,V4 导通, V5 截止,EXB841 通过 V4 及栅极电阻 Rg 向一个 IGBT 提供电流使之迅速导通。 控制电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 无电流流过,光藕ISO1 不通, A 点电位上升使 V1 和 V2 导通;V2 导通使 V4 截止、V5 导通,IGBT 栅极电荷通过 V5 迅速放电,使 EXB841 的脚 3 电位迅速下降至 0V(相对于 EXB841 脚 1 低 5 V),使 IGBT 可靠关断。 设 IGBT 已正常导通,则V1 和 V2 截止, V4 导通, V5 截止, B 点和 C 点 电位稳定在
11、8V 左右, Vzi 不被击穿, V3 截止, E 点电位保持为 20 V,二极管 VD6 截止。若此时发生短路,IGBT 承受大电流而退饱和,uce上升很多,二极 管 VD7 截止,则 EXB841 的脚 6“悬空”,B 点和 C点电位开始由 8V上升; 当上升 至 13V时,VZ ,被击穿, V3导通, C4通过 R,和 V3放电, E点电位逐步下降, 二极管 VU6导通时 D点电位也逐步下降,使EXB 841 的脚 3 电位也逐步下降,缓 7 慢关断 IGBT 。 对于 EXB841 ,它本身存在一些不足之处。例如过流保护阈值过高,保护存 在盲区,软关断保护不可靠,负偏压不足,过流保护五
12、自锁功能等。为此,对驱 动电路进行了一些优化, 还增加了故障信号封锁电路。 这些主要都是为了加强对 电路的保护,属于保护电路的范畴。驱动电路原理图如图4 所示。 图 4 驱动电路原理图 8 2.4.2 驱动保护电路分析 保护电路主要是依靠EXB841及其相配合的故障信号封锁电路。下面便来做 具体分析。 驱动电路中 VZ5起保护作用,避免EXB841的 6 脚承受过电压,通过VD1检 测是否过电流, 接 VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点, 以降低过高 的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和 C1及 VZ4接在+20 V 电源 上保证稳定的电压。VZ1和 VZ2避免栅极和射
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