电力电子升压斩波电路的设计 - 图文 (3)

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SG3525各脚功能介绍：

1 脚： 误差放大器的反相输入端； 2 脚： 误差放大器的同相输入端；

3 脚： 同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fs要低一些； 4 脚： 振荡器输出；

5 脚： 振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150 kΩ；

6 脚： 振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）, R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容CT范围为0.001～0.1μF； 7 脚： 振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω； 8 脚： 软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Uref的50μA恒流源充电； 9 脚： 误差放大器的输出端；

10 脚：PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障、

保护；

11 脚： A路驱动信号输出； 12脚： 接地；

13 脚： 输出集电极电压； 14 脚： B路驱动信号输出； 15 脚： 电源，其范围为8～35 V； 16脚： 内部＋5 V基准电压。 SG3525特点：

1．工作电压范围宽：8—35V。 2．5.1（士1%）V微调基准电源。

3．振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz。 4．具有振荡器外部同步功能。 5．死区时间可调。 6．内置软启动电路。 7．具有输入欠电压锁定功能。

8．具有PWM锁存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。 9．双路输出（灌电流/拉电流）：500mA(峰值)。 4.1.2控制电路方案选择

控制电路主要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。根据对输出电压平均值进行调制

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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(PWM)或脉冲调宽型； 2)保持开关导通时间Ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型； 3) Ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

其中，以第1种应用最多，故本设计也采用PWM控制。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

本设计中，控制电路以SG3525为核心构成。SG3525为美国SiliGan General公司生产的专用PWM控制集成电路，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。SG3525其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等，实现PWM控制所需的基本电路，并含有保护电路。 PWM控制电路图如图所示：

工作原理：通过Rt, Rd, Ct结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUT A、OUT B输出，调节R4可以改变占空比。输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11脚和14脚相位相差180°，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为100ns。于是在13脚处接一个约0.1uf的电容滤去电压尖峰。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此它适用于中小容量的PWM斩波电路。

参数计算：由于SG3525的振荡频率可表示为 ：

f?1

Ct(0.7Rt?3Rd)式中:Ct, Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻，Ct取值范围为0.001uF到

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0.1uF，Rt取值范围为2k到150k，Rd是与脚7相连的放电端电阻值；Rd取值范围为0欧到500欧，电阻值较小，形成的锯齿波波形后沿较陡。根据任务要求需要频率为100kHz，所以由上式可取Ct=0.001μF, Rt= 6.2k?,Rd=200?。因为其震荡频率=2倍输出脉冲频率即开关频率f=202.4kHz/2≈100kHz，符合设计要求。 稳压环节：

如图所示，输出电压Vo经R3及R8分压后作为采样信号，输入SG3525脚1（误差放大器的反相输入端）。误差放大器的正相输入端接5.1V可调的基准电压。输出电压大于所设电压时，此时采样电压便大于所调的基准电压时，误差放大器正相和反相输入端之间的电压差经放大器放大后，调节输出电压，使得SG3525的输出信号的占空比变小，输出电压减小，最终使输出电压稳定在设定的电压值，实现稳压功能。根据设计要求，输出电压为80-120V，可计算出采样电阻R3=35k，R8=2k（滑动变阻器）。

4.2驱动电路设计

4.2.1 TLP521资料

TLP521是可控制的光电耦合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。常用的为东芝TLP521－1，－2和－4组成的砷化镓红外发光二极管耦合光三极管。

集电极-发射极电压：55V（最小值） 经常转移的比例： 50％（最小） 隔离电压： 2500 Vrms （最小）

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4.2.2驱动电路方案选择

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到驱动电路。IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT,因此需要外加驱动电路。驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲IGBT的驱动要求动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关断延时，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。其次能向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。而且要具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为±20V,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。最后当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。

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。

上图给出了电力MOSFET一种驱动电路，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的搭配。

升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件，其栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路其有较小的输出电阻。使IGBT开通的栅射极间的驱动电压一般取15—20V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5—-15V)有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。本设计中取50Ω。

所以上图中，正驱动电压为+15V，负驱动电压为-15V，Q1的型号是D44H8，Q2的型号是D45H8。D44H8与D45H8的Uce最大值为60V，因为该驱动电路中的驱动电压为-15V，+15V，Q1、Q2选择上述型号较为安全。

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五、保护电路设计

在主电路工作时，如果输出端或者负载电路出现短路而造成过流现象，或者由于其他原因造成输出端过压现象，施加于功率开关V基极的驱动信号便可将功率开关V及时地关断，并使其处于截止状态，即使开关稳压电源停止工作。这样既保护了开关稳压电源电路本身免遭损坏，又保护了负载电路不被损坏。这就是接下来要讲的过流、过压、过热等保护电路的原理与具体设计。

5.1过流保护电路

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。如在主电路串接一个快速熔断丝。

还有一种方法如下图所示，在主电路的负载端串接一个很小取样电阻R11，R10和R15是用来取基准电压的电阻，把基准电压加到比较器的反向端，R9和R14取样的电压通过比较器与基准电压比较，将输出端接到控制电路中SG3525芯片的10脚。

R13*I=0.2*6=1.2V R11，R16分压得U4=1.2*R16/（R11+R16）=1V R11=1K R16=5K R10，R15取基准电压U5=15*R17/（R12+R17）=0.96V R12=3.5K R10=51K

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