升压斩波(boost-chopper)电路设计.doc

升压斩波（boost chopper）电路设计

电力电子技术课程设计报告
题目：升压斩波（boost chopper）电路设计

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目 录
前言***********************************************************2
MATlAB仿真设计***********************************************6
硬件实验*********************************************************14
参考文献*********************************************************19
附录一 设计任务书*************************************20
附录二 PROTEL简介****************************************21
附录三 MATLAB简介****************************************24

升压斩波电路（Boost Chopper）设计
一、前言
1.Boost Chopper工作原理：

图1.1升压斩波电路图
图1.1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
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

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
——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作b，即。b和导通占空比a有如下关系：
（2）
因此，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的原因：L储能之后具有使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住。

2.升压斩波电路的典型应用：
1) 直流电动机传动
2) 单相功率因数校正（Power Factor Correction—PFC）电路
3) 用于其他交直流电源中
4) 用于直流电动机传动时

图1.2用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图
a) 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源
b) 实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态
c) 电机反电动势相当于图1.1中的电源，此时直流电源相当于图1.1中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
Ø 电路分析
基于“分段线性”的思想进行解析
V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式
（5）
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i1的初值为I10，解上式得
（6）
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
（7）
设i2的初值为I20，解上式得：
（8）
用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：

图1.3电流连续升压斩波电路波形

图1.4电流断续升压斩波电路波形

当电流连续时，从图1.3的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：
（9）
（10）
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
（11）
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即
（12）
对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为
（13）
根据此式可对电路的工作状态作出判断。

3.设计目的
1) 通过对Boost Chopper电路的设计，掌握Boost Chopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行Boost Chopper电路和系统设计的能力。
2) 了解与熟悉Boost Chopper电路拓扑、控制方法。
3) 理解合掌握Boost Chopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。
4) 遇有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力

4.设计内容及要求
对Boosr Chopper电路的主电路和控制电路进行设计。参数如下：
直流电压E=50V，负载中R=20Ω，L、C值极大，=30V
设计要求：
1) 理论设计：了解掌握Boost Chopper电路的工作原理，设计Boost Chopper电路的主电路和控制电路。包括：
a) IGBT电流、电压额定的选择
b) 驱动、保护电路的设计
c) 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
d) 列出主电路所用元器件的明细表
2) 仿真实验：利用Matlab仿真软件对Boost Chopper电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。
3) 实际制作：利用PROTEl软件会出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外形尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。

二、MATlAB仿真设计

主电路原理图如图2.1所示

图2.1主电路原理图
其工作原理，前言中已说明，这里再补充说明电路中的几个模块。
1) IGBT用理想的方波发生器触发，周期设为0.002s，最大值设为10V，通过调占空比来调输出电压。其保护电路，触发电路将在protel中实现。
2) 示波器用来观察电感电流，方波发生器的输出波形，电源电压波形和负载电压输出波形

仿真结果与分析
1. 占空比一定，改变电压时对主电路的影响

占空比50%，=20V时的输出波形如下：

图2.1占空比为50%，=20时的波形
占空比为50%，=30V时输出波形如下:

图2.2占空比为50%，=30时的波形

占空比为50%，=50V时的输出波形：

图2.3占空比为50%，=50时的波形
由仿真波形可看出，当占空比不变时，随着电压的增加，峰值电压逐渐减小，震荡幅度减小，电路安全行，稳定性提高。

2. 占空比，一定，改变LC的取值，研究其对电路的影响，并求出最佳LC组合
占空比为50%，=30V，L=10H,C=10F时的波形：

图2.4占空比为50%，=30V，L=10H,C=10F时的波形

占空比为50%，=30V ，L=20H,C=20F时的波形：

图2.5占空比为50%，=30V，L=20H,C=10F时的波形

3. E、R、不变L=10e-3H、α=50%时，只调节电容C的值输出电压波形
C=50e-3F时输出波形

图2.6 C=50e-3F ，L=10e-3H，α=50%时的波形

C=2e-3F时输出的波形

图2.7 C=2e-3F ，L=10e-3H，α=50%时的波形

4. E、R、的值不变C=10e-3F、α=50时，只调节电感L的值输出电压波形

L=50e-3H时的输出波形

图2.8 C=50e-3F ，L=50e-3H，α=50%时的波形

L=2e-3H时的输出波形

图2.9 C=50e-3F ，L=2e-3H，α=50%时的波形

5. E、R、的值不变L=10e-3H、C=10e-3F时，调节占空比的输出电压波形

占空比α=20%时输的波形

图2.10 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=20%时的波形

占空比α=50%时输的波形

图2.11 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=50%时的波形
占空比α=80%时输的波形

图2.12 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=80%时的波形
由以上单一变量的仿真图形分析可得：
1) 占空比α越大负载输出电压越大，调节时间越长
2) 电容C值越大峰值时间越大，第一个峰值越大
3) 电感L值越大峰值时间越大，调节时间越大
在实际中可根据项目的大小、设计的实际要求及成本的大小选取适当的电感电容值，以达到设计的要求。（可以在一些经验值附近选取电感电容值，滨进行反复的试验最中确定自己需要的电感电容值）
这里仅根据要有良好的直流稳定性和快速性，在α=50时经过大量的仿真实验选取的一组理想的电容电感值，及其此时的输出波形。
经大量仿真结果比较分析可得，当L =10e-3H、C=10e-3F是波形的快速性和直流稳定性比较理想。此时波形如图2.4所示。
6. 如果其他量不变改变负载电阻R值的大小将是Booste Chopper电路工作在电感电流连续和断续两种状态。
E=50V、 L=10e-3H、C=10e-3F、α=50、=30V不变
R=20Ω时电感L的电流波形
图2-13 R=20Ω时电感L的电流波形
R=100Ω时电感L的电流波形

图2-14 R=100Ω时电感L的电流波形

仿真实验结论
通过仿真实验和对仿真实验得到的输出波形的分析可知，在直流生涯斩波电路中电感电容的对其负载电压的影响。虽然理想的电感电容值为无穷大，但这在现实设计中是不可能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小成本成为矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也将和Boost启动时调节时间成为矛盾。所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取合适的电感电容值！

三、硬件实验
1) 硬件电路
硬件电路的工作原理分析
外接220V交流电压经过变压器T1和不控整流电路得到50V的直流电压E作为Boost Chopper 的输入电压给Boost Chopper供电。为使IGBT在过压时不至于损害和抑制IGBT的电流变化过快及其两端电压变化过快而给IGBT带来的损害，在主电路中为其加入缓冲电路和过压保护电路是必要的。
触发电路以专用的PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波形，占空比受Uco的控制（如图1-13）。触发电路输出的矩形波经光耦合驱动电路控制主电路中I GBT的开通和关断。
电路设计好后主电路中的电感电容值已确定，此时只要调节触发波形的占空比即可调节Boost Chopper输出电压。
硬件电路图如下页图2-15所示。
触发电路以专用的PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波形，占空比受Uco的控制（如图1-13）。触发电路输出的矩形波经光耦合驱动电路控制主电路中I GBT的开通和关断。
电路设计好后主电路中的电感电容值已确定，此时只要调节触发波形的占空比即可调节Boost Chopper输出电压。占空比越大，Boost Chopper的输出电压值越大。

图2-15 boost chopper DXP图
2) 元器件的选取及计算
本硬件试验中缓冲电路选取的是充放电型RCDH缓冲电路，也是一种耗能型缓冲电路。其中应用元件需要要结合实际的情况进行选择。其中的吸收电容的选择可以采用一下公式：

电路中的电阻Rs不宜过大，如太大放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太小，在器件导通时，Rs 放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能引起振荡。一般的，电阻选择参考下面的公式：

其中 Ls—主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；
上的最大充电电压； —电源电压； Io-负载电流;
—开关频率。
需要注意的是，电容应该选择无感电容；电阻要注意它的功耗，应选择相应的功率电阻；吸收模块的制作要注意绝缘。
IGBTG过压保护电路、触发电路和驱动电路中元器件的选取可才参照电力电子设备设计和应用技术手册等相关电力电子设计手册也可以在后面参考文献列出的相关手册中查找。

3) 硬件实现
利用PROTEL DXP做得自动布线图如下

图2-16 自动布线图
手动布线图如下：

图2-17 手动布线图
参考文献：
【1】《电力电子技术》西安： 王兆安 黄俊 机械工业出版社
【2】《电力电子设备设计和应用技术手册》北京：机械工业出版社
【3】《电力电子技术基础》北京：林渭勋 机械工业出版社
【4】《 电力电子器件基础》北京：陈治明 机械工业出版社
【5】《现代电力电子技术》北京：张立，赵永健 科学出版社
【6】田健，郭会军，王华民，等大功率IGBT瞬态保护研究
力电子技术
【7】《电力电子技术手册》(精)/国外电气工程名著译丛 机械
工业出版社 (2004-01出版)

附录一 设计任务书
题目六 升压斩波电路设计
一、 设计目的
1、 通过对Boost Chopper电路的设计，掌握Boost Chopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行Boost Chopper电路和系统设计的能力。
2、 了解与熟悉Boost Chopper电路拓扑、控制方法。
3、 理解和掌握Boost Chopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握原件的选择计算方法。
4、 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
二、 设计内容及要求
对Boost Chopper电路的主电路和控制电路进行设计。该题目分两组，每组参数如下：
第一组：直流电压E=50V, 负载中R=20Ω, L、C值极大，=30v
第二组：直流电压E=200V, 负载中R=20Ω, L、C值极大。
本设计选取的是第一组参数
设计要求
1、 理论设计：了解掌握Boost Chopper电路的工作原理，Boost Chopper电路的主电路、控制电路。包括：
IGBT电流、电压额定的选择；驱动保护电路的设计；画出完整的主电路原理图和控制电路原理图；列出主电路的所用的元器件的明细表。
2、 仿真实验：利用NATLAB仿真软件对Boost Chopper电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。
实际制作：利用PROTEL软件会出集体的所用元器件管脚数、外形尺寸、实际散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组转、调试。

附录二 PROTEL简介
PROTEL：PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点：HTTP://WWW.PROTEL.COM
这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
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附录三 MATLAB简介
MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
　　MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
　　MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
MATLAB的优势

　　（1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
（2）简单易用的程序语言
　　Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
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