升压斩波电路设计.doc

升压斩波电路设计

电力电子技术课程设计报告

题 目： 升压斩波电路设计

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升压斩波电路设计

(一) 设计任务书

（二） 设计说明书
目 录
一 matlab仿真原理
1 升压斩波电路工作原理
1.1主电路工作原理
1.2 IGBT驱动电路选择
2 仿真实验
2.1仿真模型
2.2仿真实验结果及分析
2.3仿真实验结论
2.4 最优参数选择
二 硬件实验
2.1 硬件电路
2.1.1整流电路
2.1.2斩波信号产生电路
2.1.3斩波电路
2.1.4总原理图
2.1.5元器件列表
2.2 PCB印刷电路板
2.3 制造输出——final
三 课程设计总结
参考文献
摘要
本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boost chopper）.设计由Matlab仿真和Protel两大部分构成。Matlab主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图。通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，最后进行了GUI编程，利用图形可视化界面的直观易懂的特点，使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是电路板，它可以通过BluePrint、Kicad 、Protel等软件设计完成，其中Protel原理图设计系统以其分层次的设计环境，强大的元件及元件库的组织功能，方便易用的连线工具，强大的编辑功能设计检验，与印制电路板设计系统的紧密连接，自定义原理图模板高质量的输出等等优点，和丰富的设计法则，易用的编辑环境，轻松的交互性手动布线，简便的封装形式的编辑及组织，高智能的基于形状的自定布线功能，万无一失的设计检验等印制电路板设计系统的优点，使其在我们学生选用PCB电路板设计软件中占了绝大部分比重。本设计也采用Protel设计原理图，和进行PCB板布线。它是本设计从理论到实际制作的必进途径，通过设定相应的规则，足以满足设计所要求的规定。
关键字 升压斩波; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel

引 言
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 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路 . 直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；
（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

一 matlab仿真原理
1. 升压斩波工作原理
1.1 主电路工作原理
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的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值,记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton
(
)
off
o
t
I
E
U
1
-
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积蓄能量与释放能量相等
（1-1）
化简得：
（1-2）

，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost chooper变换器。
——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即。b和导通占空比，有如下关系：
（1-3）
因此，式（1-2）可表示为

（1-4）

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：
① L储能之后具有使电压泵升的作用
② 电容C可将输出电压保持住

1.2 IGBT驱动电路选择
IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：
(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。
(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。
(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。
(4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其RG值较大。
(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。
IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。
IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

2. matlab仿真实验
物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用Matlab自带的动态仿真集成环境-Simulink进行仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。

2.1 仿真模型
Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。
该设计的仿真模型如图1所示：

图1 simulink 仿真模型图

simulink 仿真模型图中DC voltage source 是电压源，提供50V点直流电压。L为电感。Diode为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动。C为电容。IGBT为斩波器件，R为负载。Current Measurement1 用来测量流经L的电流。Current Measurement2用来测量负载电流。Current Measurement3用来测量流经电容C的电流。current 为流经IGBT的电流，IGBT voltage 为IGBT两段的电压。Scope为示波器。Pulse Generator为PWM脉冲发生器，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。

2.2 仿真实验结果及分析

⑴ 周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100时进行仿真，仿真结果如下：

图2-0-1 负载电压98.2V

图2-0-2 流经电感L的电流值为0.982A

由图2-0-1中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即

（V）

满足理论计算公式（ 1-4 ），由仿真结果知，原理图设计是对的。

⑵ 负载不变为100，频率1KHz，占空比从5%到95%以等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。

① 占空比5%

图2-1-1 负载电压51.8V

图2-1-2 流经电感L的电流值为0.518A

从图2-1-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算：

（V）

② 占空比15%

图2-2-1 负载电压57.4V
图2-2-2 流经电感L的电流值为0.57A

从图2-2-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算：

（V）

④ 占空比25%

图2-3-1负载电压65.5V

图2-3-2 流经电感L的电流值为0.65A

从图2-３-1负载电压可以看出负载电压约为65.5V，基本上符合理论计算：

（V）

④占空比35%

图2-4-1 负载电压75.6V

图2-4-2 流经电感L的电流值为0.75A

从图2-4-1负载电压可以看出负载电压约为75.6V，基本上符合理论计算：

（V）

⑤ 占空比45%

图2-5-1 负载电压89.3V

图2-5-2 流经电感L的电流值为0.89A

从图2-5-1负载电压可以看出负载电压约为89.3V，基本上符合理论计算：

（V）

⑥ 占空比55%

图2-6-1 负载电压109.1V

图2-6-2 流经电感L的电流值为1.09A

从图2-6-1负载电压可以看出负载电压约为109.1V，基本上符合理论计算：

（V）

⑦ 占空比65%

图2-7-1负载电压140.2V

图2-7-2 流经电感L的电流值为1.042A

从图2-7-1负载电压可以看出负载电压约为140.2V，基本上符合理论计算：

（V）

⑧占空比75%

图2-8-1 负载电压196.2V

图2-8-2 流经电感L的电流值为1.962A

从图2-8-1负载电压可以看出负载电压约为196.2V，基本上符合理论计算：

（V）

⑨ 占空比85%

图2-9-1 负载电压325V

图2-9-2 流经电感L的电流值为3.25A

从图2-9-1负载电压可以看出负载电压约为325V，基本上符合理论计算：

（V）

⑩ 占空比为95%

图2-10-1 负载电压942V

图2-10-2 流经电感L的电流值为9.42A

从图2-10-1负载电压可以看出负载电压约为942V，基本上符合理论计算：

（V）

2.3 仿真实验结论
由图（图2-0），在占空比为50%时，输出电压可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即
( 1-5 )

满足理论计算公式 （ 1-4 ），由仿真结果知，该原理图设计是对的。

2.4 最优参数选择

O
O

E

O
O

E

图 3-1 电流连续
图 3-2 电流断续

当IGBT处于导通时，得 ( 1 - 6 )
设的初值为，解上式得
( 1 – 7 )
当IGBT处于关断时，设电动机电枢电流为，得
( 1 – 8 )
设的初值为，解上式得
( 1 – 9 )
当电流连续时，从图 3-2 的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得
( 1 – 10 )
( 1 – 11 )
故由上两式求得：
( 1 – 12 )
( 1 – 13 )
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
( 1 – 14 )
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值，即
( 1 – 15 )
当电流断续时的波形如图 3-2所示。当=0时刻 ==0，令式 （1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即
( 1 – 16 )
当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即
( 1 – 17 )
根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。

二、硬件实验
2.1 硬件电路
2.1.1 整流电路
本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得，由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。Protel原理图如下图4所示：

图 4 protel原理图

输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。

2.1.2 斩波信号产生电路
此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。
为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图 5所示：

图 5 驱动电路仿真图

工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。
其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。

2.1.3 斩波电路
本设计为直流升压斩波（boost chopper）电路，该电路是本系统的核心。应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率IGBT管。原理图如下图6所示：

图 6 主电路仿真图

左边接经整流之后的50V电压。右边为斩波电压输出，J2为测试点。V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。Q1为IGBT，D1为电力二极管，L2为电感，C1为电容，R1为负载。
原理分析：首先假设电感L值很大，电容C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，50V电源向L2充电，充电基本恒定为,同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值，记为。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积储的能量为。当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为，则在此期间电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即
（2-1）
化简得
（2-2）
上式中的，输出电压高于电源电压。式（2-1）中为升压比，调节其大小即可改变输出电压的大小。

2.1.4 总原理图
图形如下图7所示。其中J1为市电插口，P1接15V驱动,P2为驱动IGBT的PWM信号T1为变压器，将220 V市电转换成频率不变的55V交流电（题目要求整理输出50V，由于元器的阻抗会分压，故把输入电压提高5 V，此时变压器变比为T1：T2=4:1）。变压器变压后输入到由D2、D3、D4、D5四个整流二极管组成的整流电路输入端 。经整流后电压含有较大的纹波，故通过L1、C2组成的LC低通滤波器进行滤波。滤波后输出的电压就比较平滑了。接下来就是由电感L2、斩波器件IGBT Q1，电力二极管D1、电容C1组成的升压斩波电路（Boost Chopper）.改变驱动信号PWM的占空比就可以调节输出到负载R1两端电压，J2是负载两端的电压测试点，接至示波器就可以看到输出电压。

图 7 总原理图

2.1.5 元器件列表
本系统除了PWM信号产生电路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具体见下表 1（元器件清单）：
表1 元器件清单
Comment
Description
Designator
Footprint
LibRef
Quantity
Cap Pol1
Polarized Capacitor (Radial)
C1, C2, C4
RB7.6-15
Cap Pol1
3
Cap
Capacitor
C3
RAD-0.3
Cap
1
Diode 1N5407
3 Amp Medium Power Silicon Rectifier Diode
D1, D2, D3, D4, D5
DIO18.84-9.6x5.6
Diode 1N5407
5
Diode 1N4148
High Conductance Fast Diode
D6, D7
DIO7.1-3.9x1.9
Diode 1N4148
2
Plug AC Female
IEC Mains Power Outlet, EN60 320-2-2
F Class I,PC Flange Rear Mount, Chassis
Socket
J1
IEC7-2H3
Plug AC Female
1
Socket
Socket
J2
PIN1
Socket
1
Inductor Iron
Magnetic-Core Inductor
L1, L2
AXIAL-0.9
Inductor Iron
2
Header 2
Header, 2-Pin
P1, P2, P3
HDR1X2
Header 2
3
RF1S40N10
40A, 100V, 0.04 Ohm, N-Channel Power
MOSFET
Q1
TO-262AA
RF1S40N10
1
D44H8
NPN Power Amplifier
Q2
TO-220
D44H8
1
D45H8
PNP Power Amplifier
Q3
TO-220
D45H8
1
Res2
Resistor
R1, R2, R3, R4, R5, R6
AXIAL-0.4
Res2
6
10k
Potentiometer
R7
VR5
RPot
1
Trans Eq
Transformer (Equivalent Circuit Model)
T1
TRF_4
Trans Eq
1
SG3525AN
Regulating Pulse Width Modulator
U1
DIP16
SG3525AN
1
Optoisolator1
4-Pin Phototransistor Optocoupler
U2
DIP-4
Optoisolator1
1

表 1-1

2.2 PCB印刷电路板
PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。
现在常用的PCB板主要有单面板和双面板，单面板没有双面板好布线，但是在实验室容易制作,而且成本也要低，适合低密度的电路。本设计采用单面板，节约了一定得经费，手工布线，考虑散热，和抗电磁干扰，本设计增加了相应的规则，同时覆了铜，从而有效的优化了布线，提高了散热性能，和增强了抗电磁干扰。整块板子性能得到了很大的改善。足以满足题目要求
PCB板见下图8-1（二维）、8-2（三维正面）、8-3（三维反面）所示：

图 8-1 印刷电路板2维视图

图 8-2 印刷电路板3 维视图正面

图 8-3 印刷电路板3 维视图反面

2.3 制造输出——final
下面的文件可以直接拿到工厂里去生产，或者自己在实验室里做：

图 9 导线和覆铜的布置图

图 10 元器件标识符图

图 11 过孔图

图9为导线和覆铜，如果在实验室做的话就直接打印到菲林纸上，然后热转印到铜板上，最后腐蚀一下就可以得到板子上的导线和覆铜。图10为元器件标识符，一般只有在工厂里才能打印到板子上。图11为过孔。

三 课程设计总结
现在我们所使用到能源中电能占了很大的比重，它具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。而《电力电子技术》正是与这一主题相关联的。直流升压斩波电路是里面的一部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。
在做课程设计的这段时间里，通过不断地查找资料，最升压斩波电路有了一定的理解。并且在matlab中仿真实现了，最后在protel中绘制了原理图和PCB板。
在做课程设计过程中，我对matlab在仿真中的应用有了进一步的了解和掌握。Matlab在电力电子方面的仿真应用时，可以将电力电子电路输出效果图形化，形象直观，可以帮助我们对电路的理解。
在制作PCB板的过程中，我对protel的各种功能有了一定的了解，也让我明白了理论和实际有很大差别。
经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实物。
参考文献
［１］王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).[北京]: 机械工业出版社,2000
［２］康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). [北京]: 高等教育出版社,1998
［３］李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统(第二版).[北京]:电子工业出版社,2008
［４］施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程.[北京]:北京大学出版社,1999
［５］张义和.Protel DXP电路设计快速入门.[北京]:中国铁道出版社,2003

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