【正文】 MOSFET的柵漏電容增加，而且 IGBT中 的 PNP晶體管由放大狀態(tài)轉(zhuǎn)入飽和狀態(tài)也需要一個(gè)過程， 第 17 頁 共 45 頁 17 因此 2fvt 段電壓下降過程變緩。開通時(shí)，集電極電壓 CEu 的下降過程分為 1fvt 和 2fvt 兩段 。而 CI 從 10%的 CMI 上升至 90%的 CMI 所需時(shí)間 為電流 上升時(shí)間rt 。 IGBT 的開通過程與 MOSFET 的相似，這是 因?yàn)殚_通過程中 IGBT 在大部分時(shí)間作為 MOSFET 運(yùn)行 的。 在電力電子電路中， IGBT 工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在 正向阻斷區(qū)和飽和區(qū) 之間來回轉(zhuǎn)換。 這分別與 GTR（電力晶體管） 的截止區(qū)、放大區(qū)和 飽和區(qū)相對應(yīng)。 圖 7 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性 圖 7b）所示 為 IGBT 的 輸出特性（伏安特性） ，它描述的是 以 )(thGEU 為參考變量時(shí)， CI與 GEU 間的關(guān)系。 在 +25176。開啟電壓 )(thGEU 是 IGBT 能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓 。 （ 2） IGBT 的基本特性 IGBT 的靜態(tài)特性。 以上所述 PNP 晶體管與 N 溝道 MOSFET 組合而成的 IGBT 稱為 N 溝道 IGBT，記為 NIGBT，其電氣圖形符號(hào)如圖 6c)所示。由于前面提到的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻 NR 減小，這樣高耐壓的 IGBT 也具有很小的通態(tài)壓降。因此， IGBT 的驅(qū)動(dòng)原理與電力 MOSFET 基本相同，它是一種場控器件。其簡化等效電路圖如圖 7b)所示，可以看出這是用 雙極型晶體管和 MOSFET 組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP 晶體管。它比 VDMOSFET 多一層 P? 注入?yún)^(qū)，因而形成了一個(gè)大面積的 P? N 結(jié) J1。 (1) IGBT 的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 6 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)端面示意圖 b)簡化等效電路 c)電氣圖形符號(hào) IGBT 也是三端器件，具有柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E。而電力 MOSFET 是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。根據(jù)降壓斬波的公式： ， 可見輸出電 壓 0U 同樣得到控制。 系統(tǒng)的控制核心為微控制器，由于控制新芯片的指令執(zhí)行速度是一定的，其輸出脈沖最小寬度受到限制，因此在控制算法 — 調(diào)整占空比的實(shí)施中擬采用保持脈沖寬度不變，而調(diào)整脈沖周期的做法。根據(jù)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)選擇非隔離型 DCDC 斬波器 。 降壓直流斬波電路可以分為 隔離型 降壓直流斬波電 路和非隔離型 降壓直流斬波路。主電路即直流斬波電路把輸入的 200V350V 的直流電壓變?yōu)橹绷?24V 電壓穩(wěn)定輸出；控制電路實(shí)現(xiàn)變換器的實(shí)時(shí)控制 ， 綜合給定和反饋信號(hào) ,微控制器處理后為斬波開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號(hào)和保護(hù)功能；信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)電路完成信號(hào)的隔離和為斬波開關(guān)器件提供脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；電壓采樣電路采集電壓信號(hào)，輸出電壓模擬量，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換成微控制器能處理的數(shù)字量；電流保護(hù)電路防止系統(tǒng)過電流而損壞器件；低壓電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 5V 工作電壓；低通濾波電路由電感和電容組成，起到濾波的作用，減低輸出紋波，使輸出穩(wěn)定；續(xù)流電路的作用為：當(dāng)斬波開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電路中電流能連續(xù)流過負(fù)載。 指標(biāo)要求： ? 輸入電壓范圍；直流 200V350V ? 輸出電壓為：直流 24V177。因此， B 點(diǎn)電壓 BU 的平均值為 （ CU 為電容電壓 C 的平均值），又因電感 L1 的電壓平均值為零，所以 另一方面， A 點(diǎn)的電壓平均值為 ，且 L2 的電壓平均值為零，按圖 4b 中輸出電壓 0U 的極性，有 。由此 可得： （ 42） 從而可得： （ 43） 當(dāng)電容 C 很大使電容電壓 GU 的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓 Uo 與輸入電壓 E 的關(guān)系可用以下方法求出。 圖 4 Cuk 斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路 穩(wěn)態(tài)時(shí)電容 C 的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對時(shí)間的積分為零，即 （ 41） 在圖 4b 的等效電路中，開關(guān) S 合向 B 點(diǎn)時(shí)間即 V 處于通態(tài)的時(shí)間 ont ，則電容電流和時(shí)間的乘積為 2I ont 。 Cuk 斬波電路 圖 4 所示為 Cuk 斬波電路的原理圖及其等效電路 。當(dāng) 0? 1/2 時(shí)為降壓，當(dāng) 1/2? 1 時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T 內(nèi)電感 L 兩端電壓 Lu 對時(shí)間的積分為零，即 （ 31） 當(dāng) V 處于通態(tài)期間， Lu = E；而當(dāng) V 處于斷態(tài)期間， Lu = 0U 。 V 斷時(shí)， L 的能量向負(fù)載釋放，電流為 2i 。 基本工作原理： V 通時(shí)，電源 E 經(jīng) V 向 L 供電使其貯能，此時(shí)電流為 1i 。 升降壓斬波電路 升 降 壓斬波電路（ BoostBuck Chopper）的原理圖及工作波形如圖 3 所示 ： 圖 3 升降壓斬波電路及其波形 a）電路圖 b）波形 首先設(shè) L 值很大， C 值也很大。利用解析方法可對電流斷續(xù)的情況進(jìn)行解析。 該式表示了 L 為無窮大時(shí)電樞電流的平均值 0I ，即 （ 219） 該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源看作是被降低到了 。 由式（ 27）、式（ 28）、式（ 29）、式（ 210）、式（ 211）、式（ 212）得出： （ 216） （ 217） 式中， ； ； ????????????? ?? TTtt 1/1=?? 。 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可以得出電流的平均值 0I 為 (26) 由式 (13)即可得出電源電流 1I 為 (27) 基于電力電子電路實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路這一思想 ,升壓斬波電路解析如下 ： 在 IGBT 處于通態(tài)期間 ,設(shè)負(fù)載電流 1i , ME 為反電動(dòng)勢 ,可列出如下方程 ： （ 28） 設(shè)此階段電流初值為 10I , RL/?? ,解上式得 （ 29） 在 IGBT 處于斷態(tài)期間 ,設(shè)負(fù)載電流為 2i ,可以列出如下方程 ： （ 210） 1????ontEI1? ? off1o tIEU ?? ? o f f1oon1 tIEUtEI ??EtTEt ttU of fof f of fono ???Ttoff??EEU ?? ??? 1 11ooo1 IUEI ?RERUI ?1oo ??REIEUI 2oo1 1???M11dd ERitiL ?????????? ??? ?? ?? tt eREeIi 1M101EERitiL ??? M22dd 第 11 頁 共 45 頁 11 設(shè)此階段電流初值為 20I ,解上式得 （ 211） 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)從圖 2 b）的電流波形可看出 ， t= ont 時(shí)刻 1i = 20I ， t= oft 時(shí)刻 2i = 10I ，由此可得： （ 212） （ 213） 由以上兩式求得： （ 214） （ 215） 即 IGBT 進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流初值就是 IGBT 在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值 ， 反過來 ， IGBT進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是 IGBT 在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值。將升壓比的倒數(shù)記作 ? ，即 ， ? 和導(dǎo)通占空比 ? 有如下關(guān)系： (23) 則式 (22)可表示為 (24) 升壓斬波器能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是電感 L 儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容 C 可將輸出電壓保持住。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期消耗電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相等，即 (21) 化簡得 (22) 上式中的 t / oft ? 1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路（ Boost Converter） 。 當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí) E 和 L 共同向 C 充電，并向負(fù)載 R 提供能量。 圖 2 升壓斬波電路及其工作波形 E VRL VDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt?????? ??? ?m emt ??? )1(1lnx11??? ???eemEmT ttT EttTEtU ?????? ?????? ???????? xonMxonono 1)( ?R EUREmT tttitiTI t t moxon0 0 21o on x dd1 ???????? ????????? ?? ? ? ? 第 10 頁 共 45 頁 10 a) 電路圖 b) 波形 假設(shè)電路中電感 L 足夠大，電容 C 值也足夠大，當(dāng) V 處于通態(tài)時(shí)，電源 E 向電感L 充電，充電電流基本恒定為 1I ，同時(shí)電容 C 上的電壓向負(fù)載 R 供電，因 C 值很大，基本保持輸出電壓 0U 為恒值。 升壓斬波電路 升壓斬波電路（ Boost Chopper）的原理圖及工作波形如圖 2 所示。 此時(shí)負(fù)載電流平均值為 （ 120） 降壓直流斬波電路的特點(diǎn)： Buck 型斬波器電路簡單，調(diào)整方便，可靠性高，對功率管及續(xù)流二極管的耐壓要 求低，只要求等于或大于最高輸入電源電壓即可，輸出電壓紋波低，但輸入電流是脈動(dòng)的，這將會(huì)引起對輸入電源的電磁干擾，所以在實(shí)際應(yīng)用中常在電源與斬波器之間增加一個(gè)輸入濾波網(wǎng)絡(luò)。 在負(fù)載電流斷續(xù)的工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管 VD 即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓 Uo 等于 ME 。利用解析方法可對電流斷續(xù)的情況進(jìn)行解析。因此將該電路稱為降壓斬波電路，也有的稱為 Buck變器 。 從而可以得到如下 關(guān)系： （ 116） 其中 ont 為 IGBT 處于通態(tài)的時(shí)間； oft 為 IGBT 處于斷態(tài)的時(shí)間； T 為開關(guān)周期； ?為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取? 在上述情況中，電感 L 值 為足夠大，且負(fù)載電流平直。從負(fù)載看，在整個(gè)周期 T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為 。由于 L 為足夠大，故負(fù)載電流維持為 0I 不變。