boost斩波电路升压斩波电路电力电子关键技术专业课程设计.doc

电力电子技术课程设计任务书课程名称：直流斩波电路性能研究学 院：电气学院 专业班级：自动化10班姓 名：吴 学号：31100800 张 31100800 冯 31100800 1月目录摘要- 1 -1 BOOST斩波电路工作原理- 2 -1.1主电路工作原理- 2 -1.2控制电路选择- 2 -2 硬件调试- 4 -2.1电源电路设计- 4 -2.2升压（boost）斩波电路主电路设计- 5 -2.3控制电路设计- 6 -2.4驱动电路设计- 10 -2.5保护电路设计- 11 -2.5.1过压保护电路- 11 -2.5.2过流保护电路- 13 -2.6直流升压斩波电路总电路- 13 -3总结- 15 -4参考文件- 16 -摘要直流斩波电路功效是将直流电变为另一个固定或可调直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路通常是指直接将直流变成直流情况，不包含直流-交流-直流情况；直流斩波电路种类很多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基础电路。另外还有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器工作方法有：脉宽调制方法（Ts不变，改变ton）和频率调制方法（ton不变，改变Ts）。本设计是基于SG3525芯片为关键控制脉宽调制方法升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分组成。Multisim关键是仿真分析，借助其强大仿真功效能够很直观看到PWM控制输出电压曲线图，经过设置参数分析输出和电路参数和控制量关系，利用软件自带电表和示波器能直观分析多种输出结果。第二部分是硬件电路设计，它经过软件设计完成。关键字：直流斩波；PWM；SG35251 BOOST斩波电路工作原理1.1 主电路工作原理本试验主电路是直流升压斩波电路即boost斩波电路。图1-1 直流升压斩波电路原理图直流升压变流器用于需要提升直流电压场所，其理图图1-1所表示。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，电感产生反电动势和直流电源电压方向相同相互叠加，从而在负载侧得到高于电源电压，二极管作用是阻断V导通是，电容放电回路。调整开关器件V通断周期，能够调整负载侧输出电流和电压大小。负载侧输出电压平均值为: （1-1） 式中T为V开关周期,为导通时间，为关断时间。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储能以后含有使电压泵升作用，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。肯定会有所下降，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，基础能够忽略。1.2 控制电路选择控制电路选择SG3525产生脉冲，再利用TLP250作为驱动，最终利用MOSFET管来实现对主电路控制，最终电路图1-2、图1-3所表示。图1-2 SG3525脉冲产生电路图1-3 TLP250脉冲驱动电路2 2 硬件调试2.1 电源电路设计 本课设采取是电容滤波单相桥式不可控整流电路，常见于小功率单相交流输入场所，如现在大量普及微机、电视机等家电产品中。其工作原理图以下：图 2-1a 电容滤波单相桥式不可控整流电路及其工作波形 关键数量关系 （以电阻负载为例）：1） 输出电压平均值 整流电压平均值Ud 可依据输出波形及相关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时，。重载时， Ud 逐步趋近于0.9U2， 即趋近于靠近电阻负载时特征。 通常在设计时依据负载情况选择电容C 值，使，T 为交流电源周期，此时输出电压为： Ud 1.2 U2 。图 2-1b 电容滤波单相不可控整流电路输出电压和输出电流关系2） 电流平均值 输出电流平均值 为： 二极管电流iD 平均值为 ：3） 二极管承受电压：2.2 升压（boost）斩波电路主电路设计1）升压斩波电路原理图图所表示：图 2-2a 升压斩波电路原理图图2-2a中假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通时间为ton，此阶段L上积蓄能量为EI1ton；V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断时间为toff，则此期间电感L释放能量为。稳态时，一个周期T中L积蓄能量和释放能量相等 化简得： （1），输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器。表示升压比，调整其大小即可改变Uo。将升压比倒数记作，即。和导通占空比有以下关系： （2）所以，式（1）可表示为 （3）升压斩波电路能使输出电压高于电源电压原因：L储能以后含有使电压泵升作用，电容C可将输出电压保持住。2）主电路工作原理图 2-2b 主电路工作原理图其中示波器观察控制电路输出脉冲宽度和幅值，电压表分别用来测电源、MOSFET、负载电压。直流电源需经过电源电路变压整流取得；PMW波由基于SG3525控制电路产生，以控制MOSFET通断。其工作原理已在上面说过。2.3 控制电路设计伴随电能变换技术发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。为此，美国硅通用半导体企业推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET。SG3525是一个性能优良、功效齐全和通用性强单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软开启控制电路、PWM锁存器，有过流保护功效，频率可调，同时能限制最大占空比。控制电路需要实现功效是产生PWM信号，用于可控制斩波电路中主功率器件通断，经过对占空比调整，达成控制输出电压大小目标。另外，控制电路还含有一定保护功效。我们采取是由电压调整芯片SG3525为关键组成控制电路。SG3525 管脚图所表示图 2-3a SG3525管脚图其中，脚16 为SG3525 基准电压源输出，精度能够达成（5.11）V，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接电阻电容电路共同组成SG3525 振荡器。振荡器还设有外同时输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器反相输入端、同相输入端。依据系统动态、静态特征要求，在误差放大器输出脚9 和输入脚1 之间通常要添加合适反馈赔偿网络。各管脚具体功效以下：1 脚：误差放大器反相输入端； 2 脚：误差放大器同相输入端； 3 脚：同时信号输入端， 同时脉冲频率应比振荡器频率fs 要低部分；4 脚：振荡器输出； 5 脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs1/CT（0.7RT+3R0）,R0为5脚和7脚之间跨接电阻，用来调整死区时间，定时电容范围为0.0010.1 F； 6 脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2150 k； 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0500 ； 8 脚：软开启端，外接软开启电容，该电容由内部Vref50A恒流源充电； 9 脚：误差放大器输出端； 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，该脚关键用于故障保护； 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835 V，通常采取+15V； 16脚：内部5 V基准电压输出。SG3525芯片内部结构图所表示图 2-3b SG3525内部结构图SG3525芯片内部集成了精密基准电源、误差放大器、带同时功效振荡器、脉冲同时触发器、图腾柱式输出晶体管、PWM比较器、PWM锁存器、软开启电路、关断电路和欠压锁定电路。 芯片+5.1V基准电压精度为1%，因为基准电压值在误差放大器输入共模范围内，所以，无须外接电阻。SG3525能够工作在主从模式，也能够和外部时钟同时。经过CT端(引脚) 和放电端之间电阻能够设置死区时间。 SG3525采取电压模式控制方法，工作原理波形图311所表示。振荡器输出时钟信号触发PWM锁存器(Latch)，形成PWM信号上升沿，使主电路开关器件开通。误差放大器输出信号和振荡器输出三角波信号相比较，当三角波瞬时值高于误差放大器输出时，PWM比较器翻转，触发PWM锁存器，形成PWM信号下降沿，使主电路开关器件关断。F/F触发器用作分频器，将PWM锁存器输出分频，得到占空比为0.5、频率为振荡器频率二分之一方波。 1. 软开启 SG3525软开启电容接入端(引脚) 上通常接一个5F软开启电容。充电过程中，因为电容两端电压不能突变，所以，和软开启电容接入端相连PWM比较器反相输入端处于低电平，PWM比较器输出为高电平。此时，PWM锁存器输出也为高电平，该高电平经过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有当软开启电容充电电压使引脚处于高电平时，SG3525才能开始工作。 2. 关断操作 经过引脚(关断端)来关闭SG3525输出。当引脚上信号为高电平时，能够实现两个功效： PWM锁存器立即动作，同时软开启电容开始放电。放电电流只有 150A，假如关断信号为短暂高电平，PWM信号将被中止，但此时软开启电容没有显著放电过程。利用这个特点，能够很轻易地实现逐一脉冲限幅。不过，假如引脚 上高电平维持较长时间，软开启电容将充足放电，当关断信号结束时，将进入软开启过程。尤其要注意是引脚不应悬空，因为从该脚耦合进来噪音信号将影响电路正常工作。 也能够用赔偿和软开启引脚来关断SG3525输出。因为赔偿和软开启引脚内部全部有上拉电流源，当外部电路有下拉信号时，最大只需吸收100A电流就可关断输出。 图 2-3c SG3525脉冲图3. 振荡器 在直流降压斩波电路中能够经过调整2脚接电阻值改变输出脉冲信号占空比。1、9脚短接形成反馈，控制2脚经可调电阻器接5V电压即可。本设计取CT=4700pF，RT=33k，RD=100，经计算振荡器输出频率是90kHz，PWM输出频率定为45kHz。直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器输入端，产生稳定元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器同相输入端，比较器反向输入端接误差放大器输出，误差放大器输出和锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门一个输入端。或非门另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2基极（由脚11和脚14输出），锯齿波作用是加入死区时间，确保VT1及VT2不一样时导通。最终，脚11及脚14分别输出相位相差为180PWM波。在本设计选择MOSFET是IRF640，它由脉冲发生器产生PWM信号驱动。下面是采取SG3525设计控制电路图 2-3d 基于SG3525控制电路 2.4 驱动电路设计因为SG3525所产生脉冲不足以驱动MOSFET管工作，还需要采取已TPL250为主控芯片光耦驱动电路图2-4 基于TPL250控制光耦驱动电路2.5 保护电路设计2.5.1 过压保护电路过压保护要依据电路中过压产生不一样部位，加入不一样保护电路，当达成定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。2.5.1.1 主电路器件保护当达成定电压值时，自动开通保护电路，使过压经过保护电路形成通路，消耗过压储存电磁能量，从而使过压能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达成保护效果，能够使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变特征，能够有效地抑制电路中过压。和电容串联电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中电感和电容产生振荡，过电压保护电路图2-5a所表示。图2-5a RC阻容过电压保护电路图2.5.1.2 负载过压保护图2-5b所表示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达成一定值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，严禁SG3525输出，同时，软开启电容将开始放电。假如该高电平连续，软开启电容将充足放电，直到关断信号结束，才重新进入软开启过程，从而实现过压保护。电阻取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。图2-5b 负载过压保护2.5.2 过流保护电路当电力电子电路运行不正常或发生故障时，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，和交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引发过流。因为电力电子器件电流过载能力相对较差，必需对变换器进行合适过流保护。过流保护方法比较多，比较简单方法是通常采取添加FU熔断器来限制电流过大，对电路中元件保护。2.6 直流升压斩波电路总电路总电路图以下图所表示（保护电路未加入）。图2-6 BOOST斩波电路总电路图2.7元器件列表器件名称规格型号数量（单位）运算放大器LT12283个光耦合器TLP2501个大电感1mH1个电解电容-若干MOSFETIRF640N1个电阻-若干脉冲发生芯片SG35251块滑动变阻器10K2个二极管IN40077个三极管NPN, PNP各1个快速熔断丝6A/100V1个反向二极管IN40022个3 总结经过两个月电力电子课程设计，真是获益不少。当看到这个任务书时候感觉真正要学东西来了，以前所学理论知识最终能够用上了。于是拿起了课题认真看了看，结果发觉一头雾水，就大约知道一个主电路而已。而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事，只知道以前做试验有用过控制电路而不知道里面内部是怎么接线。于是经过慢慢看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了MOSFET升压斩波电路主电路设计，在PWM控制技术那一章中掌握了控制电路设计。 电力电子课程设计不仅让我加深了很多书本上知识，也让我知道了很多其它。即使已经会设计电路图了，但把它画出来也不是件轻易事啊。因为我是用multisim画，首先很多元件在那里面是什么名字全部不知道，只知道部分很常见器件。还有部分元件元件库也没有加载，因为不知道那些元件属于哪个元件库感觉真好麻烦啊 ，以后经过数次画图操作逐步地也较熟悉了。经过这个设计，要做成一个可用、实际实物靠得是细节。以前书本上所学东西只是理论上，要把理论变为实际还需要很多大量细节东西，怎样使你设计出来电路是最简单 ，最轻易实现；所用器件应该用什么型号才适宜等等，全部是需要我们在设计过程中要好好考虑。4 参考文件1王兆安、刘进军，电力电子技术第五版 北京：机械工业出版社，；2.邱关源，电路第五版 北京；高等教育出版社，；3.王维平，现代电力电子技术及应用南京：东南大学出版社，1999；4.石玉、栗书贤，电力电子技术题例和电路设计指导北京：机械工业出版社；