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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%
IGBT直流升压斩波电路(纯电阻负载)
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的一个系统。
主电路模块中,主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。控制电路模块中,可直接用产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。驱动电路模块中,驱动电路把控制信号转换为电压信号加在IGBT控制端和公共端之间,用来驱动IGBT的开通与关断。
设计方案
设计流程图
主电路原理图
首先,假设电路中的电感L值很大,电容c值也很大。当v处于通态时,电源E向电感L充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容c上的电压向负载R供电,因c值很大,基本保持u0为恒值。设v处于通态的时间为ton,此阶段电感L上积蓄的能量为 E I1 ton 。当v处于断态时E和L共同向电容c充电,并向负载R提供能量。设v处于断态的时间为toff,则此期间电感L释放的能量为(u0 –E)I1 toff 。当电路处于稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即
E I1 ton= (u0 –E)I1 toff
化简得
u0= (T/ toff )E=(1/1-α)E
由于 α1, 故 u0 E
直流升压斩波电路工作原理
本次设计中,控制电路以SG3525为核心构成。 SG3525的脚16 为基准电压源输出,并设有过流保护电路。脚6、脚7 内有一个双门限比较器,内设电容充放电电路,加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器,同时振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端,该放大器是一个两级差分放大器。通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。通过调节R7,可在OUTA、OUTB两端输出两个幅度相等,频率相等,相位相差180°,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。
控制电路的选择
控制电路原理图
在本设计中,直接采用光电耦合式驱动电路,该电路双侧都有电源。其提供的脉冲宽度不受限制,较易检测IGBT的电压和电流的状态,对外送出过流信号。另外它使用比较方便,稳定性比较好。如下图所示,控制电路所输出的PWM信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离,再经过推挽电路进行放大,从而把输出的控制信号放大以驱动IGBT。为得到最佳的波形,在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理分配。
驱动电路选择
驱动电路图
升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能,如图所示,均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入,从而起到调节保护作用。
保护电路选择
因为输入直流电压源为50v,这里假设升压斩波电路的占空比为30%。理论计算得输出电压为Uo=71.4v,因为输出功率P0=Uo2/R。又因为要求输出功率为300W,可计算出负载电阻R=17Ω。
下面确定电流连续的临界条件:
如果在T时刻电感电流iL刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态,此时△iL =2iL。由 Lc=(R/2)α(1-α)2T知 ,周期T可由开关频率5KHz得出T=2×10-4 s,因为这里占空比α的范围为10%~ 50%,这里取α=30%。把Uo 、α、P0代入上式得出Lc=2.499×10-4 H。
相应参数的计算
由于电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收
的电荷相等,则△Q=IoαT 。由分析计算过程知,
C=(UoαT)/(R△Uo ) ,因为要求脉动10%,这里
取5%,计算△Uo =Uo×5%=3.57V,代入上式计
算出C=7.06×10-5 F。
相应参数的计算
IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如下图所示。
建立仿真模型
仿真模型
仿真结果
由仿真得到的波形可以看出在输入直流电压为50V时,当占空比 α=30%时,理论上输出电压为71.4V,分析知误差为2.66%。由功率P0= U0×I0知P0=69.5×4.27=296.765w,误差为1.08%。符合要求输入直流电压Ud=50V,占空比10%到50%,开关频率为5KHz,输出功率P=300W,输出电压脉率10%的基本要求。
结
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