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电力电子正文.docIGBT 降压斩波电路设计 1 引言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。 IGBT 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。 IGBT 降压斩波电路设计 2 1 方案确定电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能,当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路,设计出降压斩波电路的结构框图如图 1-1所示。图 1-1 降压斩波电路结构框图在图 1结构框图中,控制电路是用来产生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开关控制端,可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制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。 IGBT 降压斩波电路设计 3 2 主电路设计 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路,可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比,从而获得我们所想要的电压。(1)电路选择方案 1:直-直变换电路这个方案是较为简单的方案,直接进行直-直变换简化了电路结构。方案 2:直-交-直变换电路这种方案把本该简单的电路复杂化,不可取。综上所述,选择方案 1。(2)开关的选择方案 1:晶闸管晶闸管属于半控型器件,用作斩波电路还要外加关断电路,使电路复杂化,且不易控制。方案 2: IGBT IGBT 控制较为简单,且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点, 又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。综上所述,选择方案 2。 工作原理根据所学的知识,直流降压斩波主电路如图 2-1 所示: 图 2-1 降压斩波电路原理图该电路使用一个全控型器件 V,图中为 IGBT 。图 2-1 中,为在 V 关断时给负载中电感电流提供通道,设置了续流二级管 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,后两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中 Em 所示。若负载中无反电动势时,只需令 Em=0 ,以下分析及表达式均可适用。 IGBT 降压斩波电路设计 4 降压斩波电路工作波形如图 2-2 : 图 2-2 a )电流连续时的波形 b) 电流断续时的波形工作原理:当 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。当 t=t1 时控制 V关断,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,通常串接较大电感 L使负载电流连续且脉动小。此电路的基本数量关系为: ( 1)电流连续时负载电压的平均值为(2 -1) 式中, 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, ?为导通占空比,简称占空比或导通比。负载电流平均值为(2 -2) ( 2)电流断续时,负载电压 uo平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。斩波电路有三种控制方式: 脉冲宽度调制( PWM ):保持开关周期 T不变,调节开关导通时间 ton , 频率调制:保持开关导通时间 ton 不变,改变