【正文】 ...................... 46 SIMULINK 概況 .......................................................................................... 47 SIMULINK 仿真 .......................................................................................... 48 結(jié)論 .............................................................. 51 參考文獻(xiàn) .......................................................... 51 致 謝 .......................................................... 52 礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計 第 4 頁 共 52 頁 礦用鉛酸蓄電池組 高頻智能 充電器主電路的研究 設(shè)計 綜述 ： 本課題以礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器實(shí)際科研課題為背景，可 以 作為實(shí)際科研項(xiàng)目的一個功能模塊。 基于這些 優(yōu)點(diǎn)， 智能充電器 廣泛應(yīng)用于 礦廠、 現(xiàn)代工業(yè)的各個行業(yè) 。如果蓄電池沒電，那么人們最先想到的就是蓄電池充電器。在 IGBT 中，用一個 MOS 門極區(qū)來控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就 產(chǎn)生了一種具有功率 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件 。但 IGBT 的柵 — 射極間存在著較大的電華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 共 52 頁 容量（幾千至上萬 pF），在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需提供數(shù)安培的沖放電電流，才能滿 足它開通和關(guān)斷的動態(tài)要求，使得它的驅(qū)動電路也必需輸出一定的峰值電流。這種三段式的充電方式通過C8051 單片機(jī)進(jìn)行智能控制 。 關(guān)鍵詞 :IGBT。 Also may take the automobile,t he airplane, the steamboat and so on the motor vehicle or power set39。 Highfrequency transformer。上 世紀(jì) 60 年代末期，美國科學(xué)家馬斯（ Mascc）提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線如圖 1所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。 蓄電池充電過 程 (1)快速充電階段：用大電流對電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)電池電能，充電速率可以達(dá) 1C 以上，此時充電電壓較低，但會限制充電電流在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。 圖 2 充電曲線圖 第 2 章 IGBT 特性 IGBT 的基本結(jié)構(gòu) 絕緣柵雙極晶體管本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P型層。 器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 52 頁 圖 3 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu) IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖 4 所示。 IGBT 是以 GTR為主導(dǎo)件、 MOSFET 為驅(qū)動件的 復(fù)合結(jié)構(gòu)。 礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計 第 12 頁 共 52 頁 圖 5 IGBT的簡化等效電路 圖 6 NIGBT的圖形符號 圖 7 PIGBT的圖形符號 IGBT 的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的 。 但是 ， NPN 晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路 ， 設(shè)計時盡可能使 NPN不起作用。 IGBT 的設(shè)計是通過 PNP—— NPN 晶體管的連接形成晶閘管。 當(dāng) MOSFET 的溝道形成后 ,從 P+基極注入到 N層的空穴（少子），對 N層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電 阻 ,使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。它與 GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 放大區(qū) 2和擊穿特性 3部分。 它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th)時， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值極低。 由于 N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2～ 3V。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間 ton即為td(on)、 tri 之和。 圖 9 關(guān)斷時 IGBT的電流、電壓波形 IGBT 的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 擎住效應(yīng) 在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下 IGBT 的工作原理（這里假定不發(fā)生擎住效應(yīng)）。但由于 N區(qū)注入大量電子、空穴對 ,IC不會立刻為零，而有一個拖尾時間。 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流增大，造成過高 損耗 ，導(dǎo)致?lián)p壞。 值得指出的是，動態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小 ， Id 值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來確定的。導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖 11 所示。在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵 —集極間的電容耦合，也會產(chǎn)生是氧化層損壞的振蕩電壓。 IGBT 的柵 — 射和柵 — 集極間存在著電容 Cge 和 Cgc，在它的射極回路中存在著漏電感 Le，由于這些分布參數(shù)的影響，使得 IGBT 的驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形產(chǎn)生了較大的變化、并產(chǎn)生了不利于 IGBT 開通和關(guān)斷的因素。在 t1時達(dá)到 IGBT 的柵極門檻電壓，集電極電流開始上升。 另一個影響柵極驅(qū)動電壓的因素是柵 — 集電容 Cgc 的“密勒”效應(yīng)。它造成的 Uge 降低同樣延緩了 IGBT的開通過程。 IGBT 關(guān)斷 時的波形如圖 13 所示。 由圖 2 可以看出，由于 IGBT 的密勒電容 Cgc 的存在，使得 IGBT 的關(guān)斷過程也減緩了許多。由于飽和導(dǎo)通壓降是 IGBT 發(fā)熱的主要損耗之一，因此必需盡量減小以獲得較高的運(yùn)行效率通常 +Uge 為 15— 18V，如 +UGE 過高容易因柵極電壓的振蕩造成柵極擊穿，因此柵極驅(qū)動電壓 +Uge 一般取 15V。 柵極串聯(lián)電阻及柵極驅(qū)動波形的上升、下降速率 柵極驅(qū)動電壓的上升，下降速率對 IGBT 的開通及關(guān)斷過 程有較大的影響。 柵極驅(qū)動電路的阻抗，包括柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗和柵極串聯(lián)電阻兩部分。在正常狀態(tài)下 IGBT 開通越快，開通損耗也越小。利用此技術(shù)，開通過程中 的峰值電流可以通過改變柵極串聯(lián)電阻控制在任意要求的值。柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率和減小關(guān)斷損耗，也有利于 避免關(guān)斷時集電極電壓的 dv/dt 過高造成 IGBT 誤開通。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著 IGBT 電流容量的增加而減小。設(shè)計柵極驅(qū)動電路時，應(yīng)特別注意開通特性、負(fù)載短路能力 dUds/dt 引起的誤觸發(fā)等問題。而門極電阻減少，則又使 di/dt 增大，可能引發(fā) IGBT 誤導(dǎo)通，同時 Rg 上的損耗也有所增加。 雙極型晶體管的開關(guān)特性隨基極驅(qū)動條件而變化。 (2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容 充放電 ,以保證柵極控制電壓 Uge,有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。 +Uge 增大時， IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時的 Ic 增大 ,IGBT 能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 UGE 應(yīng)選得小些，一般選 1215V 。 (8)IGBT 的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對 IGBT 的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。 圖 17 由 分 立 元 器 件 構(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動 電 路 用專用混合集成驅(qū)動電路 專用混合集成驅(qū)動電路 抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn) IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，但一般價格比較昂貴 。 一種是低倍數(shù) ( 倍 )的過載電流保護(hù)；另一種是高倍數(shù) (不加保護(hù)時可達(dá) 810倍 )的短路電流保護(hù)。 IGBT 的關(guān)斷緩沖吸收電路 IGBT 的 緩沖電路 功能更側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于 IGBT的工作頻率可以高達(dá) 20~50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的 LdiC/dt，從而產(chǎn)生過電壓，危及 IGBT 的安全。逆變器中 IGBT 開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的 IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的 IGBT 上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使 iC出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián) 緩沖電路 ，或放大 IGBT 的容量。 緩沖電路 的基本結(jié)構(gòu) 緩沖電路 的功能包括抑制和吸收二個方面。這種由 RCD 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 緩沖電路 普遍用于 GTR、 GTO、電力 MOSFET 及 IGBT 等電力 電子器件 的保護(hù)。圖 21(b)是把 RCD緩沖電路 用于由兩只 IGBT 組成橋臂的模塊上，此電路比較簡單；但吸收功能較單獨(dú)使用 RCD時略差，多用于小容量 元件 的逆變器橋臂上。圖 21(d)中電感受LS經(jīng)過 DS和 RS釋放磁場能量。 這種電路的特點(diǎn)是： 3只電容器之間幾乎不需要連結(jié)線，所以寄生電感極??；在電力 電子器件 工作過程中每只電容器都參予工作，電容器利用率高；電路的損耗較小，日立公司曾在一定的條件礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計 第 28 頁 共 52 頁 下進(jìn)行試驗(yàn)比較，這種電路的損耗約為 RCD 電路損耗的 40%，因此我國研制中的 CTO交流傳動電力機(jī)車逆變。圖 21(c)和圖 21(d)的功能類似，其 CS具有吸收電能和電壓箝位雙重功能，且效率較高。圖 21(c)是 RS交叉連結(jié)的 緩沖電路 ，當(dāng)器件開斷時， CS經(jīng) DS充電，抑制 du/dt；當(dāng)器件開通前， CS經(jīng)電源和 RS釋入電荷，同時有部分能量得到反饋，這種電路對大容量的器件，例如， 400A 以上的 IGBT 模塊比較適合。如圖 21 所示，既可用于逆變器中 IGBT 模塊的保護(hù)，也適用于其他 電子器件 的緩沖保護(hù)；但其性能有所不同。當(dāng)器件開通時 CS上的能量經(jīng) RS泄放。此 緩沖電路 可分為兩在類，前一種是能耗型 緩沖電路 ，后一種是反饋型 緩沖電路 。由圖 19(a)可見，在 iC下降過程中 IGBT 上出現(xiàn)了過電壓 ，其值為電源電壓 UCC和 LdiC/dt 兩者的疊加。 這種集中式的保護(hù)具有保護(hù)的徹底性，故障排除后，單片機(jī) c8051發(fā)出低電平信號給 PWM 產(chǎn)生芯片 SG3525 的 close 端，使電路恢復(fù)正常工作狀態(tài) 。 本次設(shè)計是采用 混合驅(qū)動芯片 M57962L， M57959L 驅(qū)動電路如圖 18 所示。其性能的好壞取決于脈沖變壓器的制作，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏感抗，并采用高鐵氧體鐵心，最高工作頻率可達(dá) 40KHz。 (6)在大電感負(fù)載下， IGBT 的開關(guān)時間不能太短 ,以限制出 di/dt 形成的尖峰電壓，確保 IGBT 的安全。 (3)驅(qū)動電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號。因此，我們應(yīng)將更多的注意力放在 IGBT 的開通、短路負(fù)載容量上。 圖 14 正偏置電壓 Uge（ ON） 與 UCE和 EON的關(guān)系 a） Uge（ ON） 與 UCE的關(guān)系 b） Uge（ ON） 與 EON的關(guān)系 礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計 第 22 頁 共 52 頁 圖 15 – Uge與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗 EOFF的關(guān)系 a） – Uge與集電極浪涌電流關(guān)系 b） – Uge與關(guān)斷能耗 EOFF的關(guān)系 由上述不難得知 ,IGBT 的特性隨門板驅(qū)動條件的變化而變化 , 就象雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū) 動而變化一樣。由圖中還可看出，若 UGE固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。表 1中高頻一般為大于 15kHz 的工作頻率，低頻為小于 5kHz 的工作頻率，如工作頻率在這兩個頻率 之間可取擇優(yōu)值。 IGBT 的輸入電容 Cge隨著其額定電流容量的增加而增加。柵極串聯(lián)電阻的阻值應(yīng)根據(jù)電路的情況擇優(yōu)考慮，選擇適合的值。此時應(yīng)降低柵極驅(qū)動脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。 礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計 第 20 頁 共 52 頁 在高頻應(yīng)用時，驅(qū)動電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高 IGBT 的開關(guān)速率并降低開關(guān)損耗。 IGBT 的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合速率，少數(shù)載流子的復(fù)合受MOSFET 部分的關(guān)斷影響，使得柵極驅(qū)動對 IGBT 的關(guān)斷也有一定的影響。 IGBT 柵 — 射極間所加的負(fù)偏壓通常取 5— IGBT 元件有較強(qiáng)抗干擾能