电力电子技术课程设计IGBT升降压斩波电路设计 (1).docx
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电力电子技术课程设计报告
课题名称IGBT升降压斩波电路设计
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摘要
直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。
直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。
升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。
而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛，对其做研究有很好的使用意义。
本文首先比较了两种具有升降压功能的DC／DC变换电路，具体地分析了两种DC／DC变换器的设计（拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计），详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，通过MATLAB软件中的Simulink部分建模仿真，最后给出了测试结果。
关键词：
直流斩波；升降压；IGBT；全控型
目录
目录 1
1设计任务要求 2
1.1设计任务2
1.2设计要求2
2方案选择 3
2.1方案一3
2.2方案二3
3电路设计 5
3.1主电路设计5
3.2驱动电路设计6
3.3保护电路8
4仿真控制 9
5心得体会 11
参考文献 12
附录1程序清单 13
附录2元件清单 14
答辩记录 15
1设计任务要求
1.1设计任务
IGBT升降压斩波电路设计（纯电阻负载）
设计条件：
（1）输入直流电压，Ud=50V；
（2）输出功率：
300W
（3）开关频率5KHZ
（4）占空比10%-50%
（5）输出电压脉率：
小于10%
1.2设计要求
1，分析题目要求，提出2-3种实现方案，比较并确定主电路结构和控制结构方案；
2，设计主电路原理图，触发电路原理图，并设置必要的保护电路；
3，参数计算，选择主电路及保护电路元件参数
4，利用仿真软件MATLAB等进行电路优化；
5，最好可以建模并仿真完成相关的设计电路。
2方案选择
2.1方案一
该DC／DC变换器为前后级串联结构，前级是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R构成降压变换电路，后级是由2T、2D、L、C构成升压变换电路，其中2D、L、C均出现在前、后级变电路中。
采用PWM方式控制两个主开关管3T、2T存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。
为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。
为此增加辅助开关管1T，且3T由NPN型改为PNP型，显然1T、2T是共地的，1T、3T是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。
这样，原本通过控制3T、2T来控制电路的工作状态，现在是通过1T、2T来控制，1T称为降压斩波辅助开关，2T称为升压斩波主开关、3T称为降压斩波电路。
其电路图如图2.1所示:
图2-1原理图
2.2方案二
该变换器的结构是运用了全控型器件IGBT，其工作原理是：
当V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。
V关断时，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
电路图如图2.2。
（加书上原理图）
图2-2原理图
方案比较：
方案一虽然实现了升降压,但是利用开关控制升降压的变换，而在方案二中直接采用全控型器件IGBT，利用IGBT的通断控制升降压的变换，电路比较简单，而且容易操作。
因此，在设计中我们选择了方案二来实现升降压斩波控制。
3电路设计
3.1主电路设计
我们最终采用的主电路图是第二种方案。
图3-1主电路
设电路中电感L很大，电容C也很大，使得电感电流iL和电容电压即负载电压uO基本为恒值。
该电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为il，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。
同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。
之后使得V关断，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
0TULdt=0（3-1）
当V处于通态期间，uL=ud；而当V处于断态期间，uL=-uo。
于是:
Ud∙ton=Ud∙toff（3-2）
所以输出电压为：
Uo=tontoff∙Ud=tonT-ton∙Ud=α1-α∙Ud（3-3）
当输出端电压恒定且电流连续时，
电感电流连续的临界条件：
Lc=R2Dc（1-Dc）2Ts（3-4）
连续模式时的电容值：
C=VoDcTsR∆Uo=IoDcTs∆Uo（3-5）
其中纹波电压为∆U0，周期为Ts。
负载电阻R=PoUO2（3-6）
其中Po为输出功率
根据设计要求，开关频率5KHZ，则开关周期时间为0.2ms。
另设电压脉率为10%，作为仿真时电感电阻取值时的依据。
3.2驱动电路设计
由于IGBT是全控型器件，这给了我们利用“软件+驱动电路”的方法去实现对IGBT的开通和关断。
通过对PWM信号的调制，实现对IGBT通断的控制。
控制框图如下：
图3-2驱动电路控制框图
在这里，我利用单片机写程序输出PWM信号。
这里的程序可以通过独立按键很好的调整占空比的大小。
PWM控制程序如附录1所示。
软件流程图如下
图3-3软件流程图
51单片机作为一款简单有很廉价的控制芯片，在这里被用来作为控制PWM信号的产生和输出，我们采用了Atmel公司生产的AT89C51单片机。
其工作频率为12MHZ，我们通过定时器中断的方式来输出周期为0.02ms的PWM波。
图3-4AT89C51芯片模型
IGBT为电压驱动型器件，因而需要专用的混合集成驱动器，这里我们采用三菱公司生产的M57962驱动模块。
其技术指标如下：
特点：
单管大功率IGBT模块驱动器。
M57962的改进型，管脚与M57962完全兼容，缺省参数也基本相同，可以直接代换。
可按默认值直接使用，也可根据需要调节保护盲区区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间。
应用：
可驱动IGBT（300A/1200V或600A/600V）一只
图3-5M57962结构图
图3-6M57962外部接线图
考虑到单片机I/O口的输出信号电压可以达到5V，而驱动模块M57962的原端输入电压要求为5V，因此可以直接将单片机PWM输出口和M57962的信号输入端13连接。
输出端5的PWM信号可以被抬升至到15V，由于IGBT的栅极-漏极开通电压为12V至18V，因此这时从M57962模块输出的信号可以控制IGBT的关断。
3.3保护电路
缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
关断缓冲电路：
又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
开通缓冲电路：
又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
在无缓冲电路的情况下，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。
为了防止IGBT被毁坏，我们需要在IGBT上加关断缓冲电路。
缓冲电阻取10kΩ，电容仿真取10000uF。
图3-7IGBT缓冲保护
晶闸管开通时的di/dt很大，我们需要加开通缓冲电路。
晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收电路即可。
缓冲电阻取500Ω，电容仿真取0.25uF。
图3-8二极管缓冲保护
4仿真控制
通过之前电路方案的选择和元件值的计算，我们利用MATLAB软件建立了仿真模型。
图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型。
图4-1由IGBT构成的Boost-Buck电路模型
负载输出电压仿真结果如下：
图4-2（a）占空比为50%时负载的波形
此时L=1.9e-4，C=1.2e-4，R=8.33。
图4-2（b）占空比为80%时负载的波形
此时L=5.3e-4，C=1.2e-5，R=133.333。
图4-2（c）占空比为20%时负载的波形
此时L=0.333e-4，C=7.68e-4，R=0.5208333。
当占空比为50%时，此时电路为临界状态，理论输出电压应该为50V,由图6（a）看出，实际输出电压在47V到53V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为80%，此时电路为升压状态，理论输出电压应该为200V，由图6（b）看出，实际输出电压在180V到200V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围；当占空比为20%，此时电路为降压状态，理论输出电压应该为12.5V，由图6（b）看出，实际输出电压在12.3V到12.6V之间波动，输出电压脉率小于10%，因此输出电压脉率处理合理范围。
5心得体会
此次电力电子课程设计，我的任务是绘制保护电路，驱动电路以及使用MATLAB软件中的Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型。
通过仿真计算，我深刻的理解了DC/DC电路中升降压部分的精妙之处，通过仿真计算，对升降压电路的理解更上一层楼。
升降压斩波电路综合了升压电路和降压电路的优点，可以在一个电路中同时实现升压和降压，简化了电路结构。
而全控型器件IGBT的使用为外部自动控制提供了巨大便利，因此其使用范围在直流斩波电路中很广泛。
此次课程设计的实验结果很好的验证了升降压斩波电路的功能特性。
MATLAB是一款高深而有效的工具，在分析升降压斩波电路时发挥了重要作用。
其功能强大，应用广泛，通过仿真取代实物，大大降低了实验成本。
在这次课程设计中，利用Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型可以轻松求解所需值，通过输出波形验证了理论的正确性，同时节省了人工计算的难度和实践的成本。
这段时间很好的考验了我的学习能力。
由于之前对Simulink不是很了解，因此在空闲时间就在看Simulink工具的参考资料。
在仿真遇到困难时就去MATLAB论坛向前辈请教或者直接去向师兄请教，很好的锻炼了自己的能力。
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2009.
[2]王晶，翁国庆.电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真与应用[M].西安电子科技大学出版社,2008.
[3]陈坚.电力电子学[J].高等教育出版社.2002.
[4]Lei ,Q. ,Peng .SpaceVectorPulsewidthAmplitudeModulationforaBuck–BoostVoltage/CurrentSourceInverter.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics.2014,29
（1）.
[5]陆治军，王强.一种新型升降压LED驱动电源[M].电源技术.2010.12.
附录1程序清单
//==========================================
#include
unsignedinta,b;
//------------------------------------------
voidmain（）
{
TMOD=0x01;//T0定时方式1
TH0=（65536-200）/256;//0.2ms@12MHz 每个周期12/（12*1000000）=0.2ms
TL0=（65536-200）%256;
TR0=1;
ET0=1;
EX0=1;EX1=1;
IT0=1;IT1=1;
EA=1;
a=0;
b=10;
while
（1）;
}
//------------------------------------------
voidtime0（）interrupt1
{
TL0=（65536-200）%256;
TH0=（65536-200）/256;//0.2ms@12MHz
a++;
if（a==20）a=0;//在这里调整周期.
if（aelseP1=0x00;
P2=（（b/10）<<4）+b%10;//显示占空比等级
}
//------------------------------------------
voidX0_INT（）interrupt0//增加占空比
{
b++;
if（b>19）b=19;//占空比等级最大为19，增大占空比
}
//------------------------------------------
voidX1_INT（）interrupt2//减小占空比
{
b--;
if（b<1）b=1;//占空比等级最小为1.减小占空比
}
附录2元件清单
元件名
型号
参数
数量
IGBT
三菱CM300HA-12H（E）
300A|600V|1U
1
驱动模块
三菱M57962L
600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动
1
单片机
51单片机开发板
1
二极管
1N5200系列
1
电感
0.232mH
1
电感
0.3mH
1
电阻
可调电阻
100
3
电阻
可调电阻
10K
3
电容
无极性电容
120uF
1
电容
无极性电容
250nF
1
电容
无极性电容
10000uF
1
直流电源
可调直流电源
50v
1
答辩记录
1、教师现场提的问题记录在此
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