直流升压斩波电路的设计.doc

《电力电子技术》课程设计说明书

直流升压斩波电路的设计

电力电子课程设计课题任务书
学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业
指导教师

学生姓名

课题名称
直流升压斩波电路的设计

内容及任务

一、设计任务
设计一个直流升压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在300～400V可调，其它性能指标自定。
二、设计内容
1、关于本课程学习情况简述；
2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；
3、控制电路的设计；
4、保护电路的设计；
5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。

主要参考资料
[1] 王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2010
[2] 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991
[3] 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996
教研室
意见

教研室主任：（签字）
年 月 日

摘 要
直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流直流变流电路或直交直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

关键词：直流斩波电路；变压器；升压斩波

目 录
绪论................................................................1
1 直流升压斩波电路的设计思想.......................................2
1.1 直流升压斩波电路原理........................................2
1.2 参数计算....................................................3
2 直流升压斩波电路驱动电路设计.....................................4
2.1 驱动电路M57962L简介........................................4
2.2 驱动电路设计................................................4
3 直流升压斩波电路保护电路设计.....................................6
3.1 过电流保护电路..............................................6
3.2 过电压保护电路..............................................6
4 直流升压斩波电路总电路的设计.....................................7
5 直流升压斩波电路仿真.............................................8
5.1 仿真模型的选择..............................................8
5.2 仿真电路图..................................................8
5.3 仿真结果及分析..............................................9
设计总结...........................................................11
致谢...............................................................12
参考文献...........................................................13

绪 论
随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已被广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有动力机装置需要一个稳定的电力输送装置，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时那转变的直流电压同所需设备要求人仍不相符，仍需变换，称为DC/DC变换。直流斩波电路作为将直流电，变成另一种固定电压的DC-DC变换器，在充电蓄电电路、直流传动系统.、电力电子变换装置、开关电源及各种用电设备中得到普遍的应用。随之出现了诸如升压斩波电路、降压斩波电路、复合斩波电路、升降压斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术，已被广泛运用于直流开关电源和电机推动中，使其控制获得加速平滑、快速响应、加快节能的效果。
直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，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要的输出电压。PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。

1 直流升压斩波电路的设计思想
1.1 直流升压斩波电路原理
直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1所示。
在电路中V导通时，电流由E经
升压电感L和V形成回路，电感
L储能；当V关断时，电感产生
的反电动势和直流电源电压方向
相同互相叠加，从而在负载侧得
到高于电源的电压，二极管的作 图1 直流升压斩波电路原理图
用是阻断V导通是，电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压为恒值,记为。设V通的时间为，此阶段L上积蓄的能量为E。
V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为，则此期间电感L释放能量为：
(1)
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等
(2)
化简得：
(3)
上式中，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
——升压比，调节其即可改变。将升压比的倒数记作β，即。和导通占空比，有如下关系：
(4)
因此，式（1-2）可表示为：
(5)
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
1.2 参数计算
由直流斩波电路的原理可知
(6)
又输入电压为输入直流电压：200V，要求输出直流电压范围：300V～400V。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得：
(7)
如果要求输出功率P=100W, =340V
(8)
得： R=

2 直流升压斩波电路驱动电路设计
2.1 驱动电路M57962L简介
M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路。在驱动模块内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。M57962L是一种高速驱动电路，驱动信号延时tPLH 和tPHL最大为1.50μs。可以驱动600V/400V 级的IGBT模块。M57962L工作程序:当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路， IGBT 的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。
M57962L采用双电源+ Vcc和VEE ，原理结构图如图3所示。电路组成： (1) 放大隔离电路； (2) 定时复位电路；(3) 过流检测电路； (4) 过流输出电路。
图2 M57962L原理结构图
2.2 驱动电路设计
升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件。IGBT的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，要求驱动电路具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。
IGBT的驱动多采用专用的混合驱动集成驱动器，本次采用M57962L驱动器。如图2驱动电路图所示。又由产品信息知M57962L驱动器内部具有退饱和和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路发出故障信号。

图3 直流升压斩波驱动电路

3 直流升压斩波电路保护电路设计
3.1 过电流保护电路
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。过电流分为过载和短路两种情况。通常采用的保护措施有：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。
综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图4电流保护电路所示。

图4 直流升压斩波电路过流保护电路
对于所选的保险丝，遵从值小于晶闸管的允许值。
3.2 过电压保护电路
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室内，为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。
操作过电压是由分闸、合闸的开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦合过来。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压，关断过电压。
根据以上产生过电压的的各种原因，设计相应的保护电路。如图5过压保护电路所示。其中：图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升，从而使得电力电子器件IGBT管不会因电压的过高而损坏。
图5 直流斩波电路过电压保护电路
4 直流升压斩波电路总电路的设计
如图6总电路设计图所示。电路由升压电路，驱动模块、保护模块、缓冲电路组成。

图6 直流升压斩波电路总电路
由M57862L芯片为核心构成的驱动电路，控制IGBT的导通和关断时间，从而控制电路的升压比β，使其达到：
(9)
进而使输出电压达到目的值。
升压电路时整个电路的核心，由一个IGBT和电容、电感值都很大的电容电感各一个。R为输出负载，电压由此输出。因为输出功率是一定的100W，从而R为定值1156Ω。其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。

5 直流升压斩波电路仿真
5.1 仿真模型的选择
在本次的设计中，采用了Matlab软件作为仿真工具来进行电路的模拟。首先画出电路的结构图如下所示：

图7 直流升压斩波电路仿真电路模拟图
由上图中我们可以看到，在电路中，在IGBT的两端加了脉冲触发电压，控制开关的关断，以便得到升压的电压。
5.2 仿真电路图

图8 直流升压斩波电路Matlab仿真电路模型

5.3 仿真结果及分析
在模型中设置仿真参数，设置电源E电压为200V，电阻的阻值为5Ω，脉冲发生器脉冲周期为T=0.2ms,脉冲宽度为50%，IGBT和二极管的参数保持默认，选L的值为0.1ms,C的值为100μF。

图9 α=1/3时仿真输出电压波形

图10 α=2/5时仿真输出电压波形

图11 α=1/2时仿真输出电压波形
当α=1/3时，输出电压为300V；
当α=2/5时，输出电压为333V；
当α=1/2时，输出电压为400V。
从上面的直流电压输出图中我们可以看出来，本次设计是成功的，理论与实际是相符的，我们得到了300V～400V的输出可调电压。

设计总结
经过半个月的努力，本次课程设计总算顺利结束，可能还有很多不足的地方，还请老师批评指导。
本次课程设计的内容囊括了本学期所学《电力电子技术》的大部分内容，还用到了以前所学的电路、模电的知识。在设计的过程中我遇到了诸多问题，这主要是自己所学知识的不牢固和欠缺造成的。通过再次认真翻看课本，查阅资料，向老师和同学请教，终于把一个又一个的问题解决掉。通过这次课程设计我不仅进一步巩固了这门课程的知识，还熟悉了Matlab等相关软件的使用方法，这为以后的学习工作提供了便利。
通过这次设计，我还发现课本上的理论知识和实践还是有一定的差别，理论知识要应用到实践中要经过仔细地思考和多次尝试，只有这样才能达到理论联系实践的效果。如果不是通过课程设计，我们的知识面可能一直停留在理论的层面。

14

致 谢
一段时间的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流升压斩波电路的课程设计是在大家共同努力和老师的精心指导下共同完成的。
通过这次课程设计加深了我对这门课程的了解，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
最后，感谢老师的耐心指导和同学的大力支持，使我在本次设计遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到了更多的知识。
再次感谢在本次设计中给予我帮助的人，谢谢你们！

参考文献
[1].王兆安，王俊编. 电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2010
[2].黄俊，秦祖荫编. 电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991
[3].李序葆，赵永健编. 电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996
[4].康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分．高等教育出版社,2002 
[5].张乃国. 电源技术．北京：中国电力出版社,1998
[6].何希才. 新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社,2001
[7].阮新波，严仰光. 直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社,2000
[8].陈礼明. 实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技,2005
[9].康华光. 电子技术基础-模拟部分（第五版) .高等教育出版社,2006
[10].孟志强. 电力电子技术-晶闸管中频感应逆变电源的附加振,2003
[11].王兆安，刘进军. 电力电子技术（第五版）.机械工业出版社,2008
[12].张立，黄两一. 电力电子场控器件及其应用.机械工业出版社,1995
[13].刘明. 电力电子技术(第四版).北京:机械工业出版社,2004
[14].王云亮. 电力电子技术(第一版).北京.电子工业出版社,2004
[15].秋关源，罗先觉. 电路（第5版）．高等教育出版社,2006
[16].王兆安，黄俊. 电力电子技术（第4版）.机械工业出版社,2000

目 录
目 录

第一章 总 论 1
一、项目概述 1
二、可行性研究报告编制依据和范围 2
三、项目主要经济技术指标 3
四、******国家森林公园概况 3
第二章 项目背景及必要性 8
一、项目背景 8
二、项目建设的必要性与可行性 10
第三章 项目选址分析 13
一、项目选址 13
二、项目城市概况 13
三、经济发展概况 14
四、公共设施依托条件及施工条件 17
第四章 需求分析与建设规模 18
一、****国家森林公园现状与存在问题分析 18
二、****国家森林公园日容量预测 19
三、****国家森林公园景区厕所需求面积分析 20
四、****国家森林公园景区厕所建设规模的确定 20
第五章 项目建设方案 21
一、景区厕所工程建设方案 21
二、景区引水上山工程建设方案 27
三、基础设施工程建设方案 32
第六章 环境保护与劳动卫生安全 34
一、环境保护 34
二、劳动卫生与安全 35
第七章 节约能源 36
一、节能的相关法律及设计规范 36
二、节约资源措施 37
第八章 项目实施进度与管理 39
一、项目实施进度 39
二、项目管理 40
第九章 工程招标 44
一、招标依据及原则 44
二、项目招标范围及内容 45
第十章　投资估算及资金筹措 48
一、固定资产投资估算依据 48
二、投资估算资金筹措方案 48
第十一章 项目研究结论与建议 53
一、项目建成后可达到的预期目标 53
二、结论 53
三、建议 53