电力电子课程设计直流斩波电路(优秀设计).doc

课程设计报告
课题名称： 直流斩波电路的设计

电力电子技术课程设计任务书
系：电气与信息工程系 年级： 专业：自动化
指导教师姓名

学生姓名

课题名称
直流斩波电路的设计

内

容

及

任

务

一、 设计任务和要求
（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。
（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。
（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。
（4）广泛收集相关资料。
（5）独立思考，刻苦专研，严禁抄袭。
（6）按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。
二、设计内容
（1）明确设计任务，对所要设计地任务进行具体分析，充分了解系统性能，指标要求。
（2）制定设计方案。
（3）迸行具体设计：单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。
（4）撰写课程设计报告（说明书）：课程设计报告是对设计全过程的系统总结。
三、技术指标
斩波电路输出电压为100±5V，直流降压斩波电路输入电压为直流流200V，直流升压斩波电路输入电压为直流50V。脉冲周期为50μS（降压）40μS（升压），脉冲信号占空比可以通过SG3525调节。

进

度

安

排
起止日期
设计内容
6.1
分析设计任务，确定元件参数、指标
6.1
用Multisim进行仿真，Protel绘制硬件电路图
6.2
撰写设计报告
答辩成绩

指导教师评阅意见

摘 要

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。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。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）。本设计是基于SG3525芯片为核心控制的脉宽调制方式的升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。Multisim主要是仿真分析，借助其强大的仿真功能可以很直观的看到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，利用软件自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。第二部分是硬件电路设计，它通过Protel等软件设计完成。

关键字：直流斩波；PWM；SG3525
目 录

1 直流斩波主电路的设计 1
1.1 直流斩波电路原理 1
1.1.1 直流降压斩波电路 1
1.2.2 直流升压斩波电路 2
1.2 主电路的设计 3
1.2.1 直流降压斩波电路 3
1.2.2 直流降压斩波电路参数计数 3
1.2.3 直流升压斩波电路 4
1.2.4 直流升压斩波参数计算 4
2 触发电路设计 5
2.1 控制及驱动电路设计 5
2.1.1 PWM控制芯片SG3525简介 5
2.1.2 SG3525内部结构及工作特性 5
2.1.3 触发电路 6
2.2 系统总电路图 7
3 电路仿真 8
3.1 触发电路的仿真 8
3.1.1 Multisim仿真电路的建立 8
3.1.2 触发电路的仿真结果及分析 9
3.2 直流降压斩波电路的仿真及分析 10
3.2.1 Multisim仿真电路的建立 10
3.2.2 直流降压斩波电路仿真结果及分析 10
3.3 升压斩波电路仿真 11
3.3.1 Multisim仿真电路的建立 11
3.3.2 直流升压斩波电路仿真结果及分析 12
4 总结与体会 14
参考文献 15

1 直流斩波主电路的设计
1.1 直流斩波电路原理
1.1.1 直流降压斩波电路
直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如图1-1 所示。
在开关器件V导通时，
有电流经电感L向负载供电，在V
关断时，电感L释放储能，维持负
载电流，电流经负载和二极管VD形 图1-1 直流降压斩波电路原理图
成回路。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。负载侧输出电压的平均值为：

（1-1）

式中T为V开关周期,为导通时间，为占空比。
Uo最大为E，减小a，Uo随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器(Buck Converter)。
负载电流平均值为：
（1-2）
电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式:
（l） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为PWM(Pulse Width Madula-tion)或脉冲调宽型。
（2） 保持开关导通时间不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。
（3） 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

1.2.2 直流升压斩波电路
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1-2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 图1-2 直流升压斩波电路原理图
得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断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。负载侧输出电压的平均值为:

（1-3）

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 主电路的设计
1.2.1 直流降压斩波电路
直流降压斩波主电路图如图1-3所示。

图1-3 直流降压斩波主电路
1.2.2 直流降压斩波电路参数计数
设计降压斩波电路中，直流降压变压器电源电压E=200V，负载电阻R=10Ω，试选L=2mH,T=50μS,=25μS。根据判断电流断续的条件：
（1-4）
=0.0002，=0.1，=0.05
=0.487>m （1-5）
所有所选L符合要求，电流不断续。
全控型器件选择Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要参数如下：
关断频率：f=1MHz
=60ns （1-6）
=550ns （1-7）
=75A （1-8）
（1-9）
（1-10）
2SK307的参数符合设计要求。
理论计算降压后输出结果：
（1-11）
（1-12）
1.2.3 直流升压斩波电路
直流升压斩波电路主电路图如图1-4所示。

图1-4 直流升压斩波主电路
1.2.4 直流升压斩波参数计算
设计降升斩波电路中，直流升压变压器电源电压E=50V，负载电阻R=10Ω，试选L=2mH,T=40μS,=20μS。C=30mF根据判断电流断续的条件：
（1-13）
其中α+β=1，经计算可知所选元件参数符合要求，在此升压斩波电路中电流不断续。
全控型器件同直流降压斩波电路一样选择Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，参数在此不在赘述。
理论计算升压后输出结果：
（1-14）
（1-15）
2 触发电路设计
2.1 控制及驱动电路设计
2.1.1 PWM控制芯片SG3525简介
SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。
·工作范围为8.0V到35V
·5.1V±1.0％调定的基准电压
·100Hz到400KHz振荡器频率
·分立的振荡器同步脚
2.1.2 SG3525内部结构及工作特性
（1）基准电压调整器
基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。
（2）振荡器
3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为：
（2-1）

（3）SG3525的内部结构
SG3525的内部结构如图2-1所示。

图2-1 SG3525的引脚以及内部框图
在直流降压斩波电路中可以通过调节2脚接的电阻值改变输出脉冲信号的占空比，根据求频率f的公式计算出SG3525外接元件参数如下：
（2-2）
（2-3）
（2-4）
2.1.3 触发电路
MOS FET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。
MOS FET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， MOS FET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MOS FET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设计的光耦驱动电路是一种可靠的MOS FET驱动方案。SG3525的光耦驱动电路如图2-2所示。

图2-2 MOS FET触发电路图
2.2 系统总电路图
系统总的电路图如图2-3所示

图2-3 系统总电路图

3 电路仿真
3.1 触发电路的仿真
3.1.1 Multisim仿真电路的建立
在Multisim中用元件PWMVM代替PWM控制芯片SG3525，PWMVM的外接电路如图3-1所示，根据仿真电路图原理通过改变R7的大小可以改变脉冲占空比，改变脉冲的占空比就是对脉冲的宽度进行调制，即构成脉冲宽度控制器，通过占空比的控制从而控制输出电压的大小。

图3-1 触发电路模拟仿真图

3.1.2 触发电路的仿真结果及分析
在Multisim中对触发电路进行仿真，根据PWMVM控制原理可知，当R7=10KΩ时，占空比为90%，仿真结果如图3-2所示：当R7=50KΩ时，占空比为50%，仿真结果如图3-3所示。

图3-2 R7=10KΩ时触发脉冲波形图

图3-3 R7=50KΩ时触发脉冲波形图

3.2 直流降压斩波电路的仿真及分析
3.2.1 Multisim仿真电路的建立
根据直流降压变流器原理图建立变流器的Multisim仿真模型如图3-4所示。

图3-4 降压斩波电路模型
在模型中采用了MOS FET,MOS FET的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期为50μS和脉冲宽度可以调节脉冲占空比为50%，直流降压变流器电源电压E=200V，输出电压=100V，电阻负载为10Ω，电感L=2mH。用示波器观察输出波形和二极管两端电压波形，用直流电压分别检测输出电压和负载电流。
3.2.2 直流降压斩波电路仿真结果及分析
脉冲信号波形和输出电压波形如图3-5，脉冲信号波形和二极管两端的电压波形如图3-6。.

图3-5 输出波形图

图3-6 二极管电压波形图
由图3-5分析可知观察结果同理论值相符，误差在允许范围内。所设参数满足降压要求但是电压的波动很大。修改电感参数进行多次仿真，可发现增大电感可以减少输出电压的脉动，但电压达到稳定的时间被延迟。由图3-6分析可知二极管在MOS FET导通关断此时电压等于电源电压E，在MOS FET关断是导通起续流的作用此时电压等于0。
3.3 升压斩波电路仿真
33.1 Multisim仿真电路的建立
根据直流升压压变流器原理图建立变流器的Multisim仿真模型如图3-7所示。

图3-7 升压斩波电路模型
在图3-7升压斩波电路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期为40μS和脉冲宽度可以调节脉冲占空比为50%，直流降压变流器电源电压E=50V，输出电压=100V，电阻负载为10Ω，电感L=2mH，电容C=30mF。用示波器观察输出波形和二极管与电容两端电压波形，用直流电压分别检测输出电压和负载电流。
3.3.2 直流升压斩波电路仿真结果及分析
脉冲信号和输出电压波形如图3-8和3-9所示，脉冲信号波形和二极管与电容两端的波形如图3-10所示。

图3-8 输出电压波形仿真开始

图3-9 输出电压稳定后波形

图3-10 二极管与电容两端的电压
由图3-7与3-8分析可知示波器、电压表、电流表所观测的结果与理论值相符，误差很小在允许范围内。由图3-8可知电感越大输出电压越稳定但是延迟时间越长，由图3-10可知二极管与电容两端的电压在MOS FET关断时电压等于电源电压E，此时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量，当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等

4 总结与体会
做过很多次各科的课程设计了，但是这次的课程设计给我的印象最深。通过这次的课程设计，我发现了电力电子技术的重要性，它里面的器件如MOS FET 之类的还可以对我们实际的电路起到提高效率和保护作用，可以通过控制它的触发脉冲来实现它的关断，这都是非常常见但是却非常有实际意义的。课程设计并没有想象中的那么顺利，其间我也遇到了很多的困难，但是在大家的讨论和老师的帮助下我们还是完成了，这让我意识到只要我们努力了，就没有攻不过的难关，而且，对于电力电子技术的思考，让我的逻辑思维能力大大提高，思维更加敏捷。同时让我培养了一种透过部分联系全篇的思路，锻炼了我办事的能力，做事效率提高了很多。
一次次小小的课题设计，也可以折射到一次对人生的规划，课题的设计是我人生设计的一部分，为我人生的规划埋下了美好的种子。我非常珍惜这次取得的成绩，我喜欢这种具有挑战性的课题设计。
这次的课题设计，我获益颇多，不仅让我了解了电力电子器件的功能，更精进了我对器件的理解和运用，让我深深喜欢上了这门学科。设计虽然是辛苦的，但是获得的比我付出的更多。
在此也感谢老师对我们的指导。
参考文献

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M] 第五版 北京：机械工业出版社，2011年
[1] Wang Zhaoan, Liu Jinjun. Power Electronics [M]. Fifth Edition Beijing: China Machine Press, 2011
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