中南
大 学
信 息
科学院
IGBT 升压斩波电路设计
（纯电阻负载）
院 、 部： 电气与信息工程学院
学生姓名： 赵向荣
指导教师： 孙妙平 张桂新
专 业： 电气自动化
班 级： 电气
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班
目 录
第一章 绪论.............................................1
1.1 电力电子技术的介绍..............................1
1.2 电力电子技术的应用..............................1
1.3 电力电子技术中的直流变化技术....................2
1.4 电力电子技术发展趋势............................2
第二章 设计任务与功能要求...............................4
2.1 课程设计的内容..................................4
2.2 设计课题任务及要求..............................4
第三章 系统总体方案及主电路设计.........................5
3.1 系统的方案及其流程图............................5
3.2 主电路设计......................................6
第四章 控制和驱动电路的设计.............................10
4.1 芯片 SG3525 简介................................10
4.2 控制电路设计...................................11
2
4.3 驱动电路设计...................................13
4.4 保护电路设计...................................14
第五章 系统仿真与分析...................................15
5.1 仿真软件 Matlab 简介.............................15
5.2 仿真模型的建立................................15
5.3 系统仿真结果及分析............................17
结束语...................................................18
参考文献.................................................19
第一章 绪论
1.1 电力电子技术的介绍
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电
子器件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电
子技术所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚至
1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力
变换。
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变
3
频，变相等）两个分支。（电力电子技术百度百科）
现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养
该专业人才中占有重要地位。
电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪 60 年代出现的。
1974 年，美国的 W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描
述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点
被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术 2
个不同的角度来称呼的。（电力电子学百度百科）
1.2 电力电子技术的应用
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学
科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联
系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的
实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括
了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、
晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流
斩波以及变频电路的工作原理。
$在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流
电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的
调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽
车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种
电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作
电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以
说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
1.3 电力电子技术中的直流变化技术
直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断
电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及
20 世纪 80 年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速
响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不
可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起
到有效地抑制网侧谐波电流的作用。
1.4 电力电子技术发展趋势
应用技术高频化（20kHz 以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、
混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无
污染）是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。除此以外还有不断提高装
4
置效率与不断拓展电压应用范围也是电力电子应用技术的发展方向（电力电子
应用技术 叶斌）
1.4.1 电力电子器件发展趋势
高频化、集成化、标准模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方
向。
（1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠
性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更
高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的
开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击
能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的
应用领域，以上要求更为迫切。
（2）未来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件
已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高
和改善，Coolmos、各种改进型 IGBT 和 IGCT 均有相当的生命力和竞争力。
（3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国
外制造企业已经开发出了相应的 IPM 智能化功率模块，结构简单、功能齐全、
运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。
（4）新型高频器件碳化硅和氮化镓器件正在迅速发展，一些器件有望在不
远的将来实现商品化，总部位于美国北卡罗来纳的 CREE 公司已经实现商用的
SiC 二极管和 MOSFET。但由于材料和制造工艺方面的问题，还需要大量的研
究投入和时间才能逐步解决，位于北卡州立大学的 FREEDM 中心正在对此技术
进行研究。
1.4.2 电力电子设备和系统发展趋势
由于环境、能源、社会和高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用
技术高频化、智能化、全数字控制、系统化及绿色化方向发展。
（1）在未来一段时间内，以各种电力半导体器件为主功率器件的电力电子
设备和系统将展开竞争且共同发展。晶闸管及其派生器件仍将垄断特大功率领
域。
（2）以 IGBT 为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，减
轻设备的重量、减少体积，将广泛应用于工业（电机变频、电焊机，工业加热，
电镀电源、贮能装置等）、家用电器（电磁炉，商用电磁炉，变频空调，变频
冰箱等）和新能源等方面（风力发电，光伏发电、电动汽车等）等。
（3）以 IGCT 为主功率器件的电力电子设备和系统将有可能逐步取代晶闸
管。
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