升壓斬波電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：升壓斬波電路的設(shè)計(jì)英文題目：The Design of Boost Chopper院 系： 電氣工程與自動化 年級專業(yè)： 2011級電氣工程及其自動化 姓 名：） ） ） 2014年6月30日目錄目錄21. 設(shè)計(jì)的題目31.1引言31.2升壓斬波電路的應(yīng)用42.設(shè)計(jì)的任務(wù)：42.1 課程設(shè)計(jì)要求42.2Boost電路技術(shù)參數(shù)及要求43.設(shè)計(jì)的依據(jù)：53.1總體構(gòu)思依據(jù)53.2理論計(jì)算依據(jù)54.設(shè)計(jì)的內(nèi)容：64.1主電路的選擇與計(jì)算過程64.1.1直流斬波電路由直流電源、MOSFET、電感、電容、續(xù)流二極管以及負(fù)載組成。具體原理電路圖如下：64.1.2主電路的理論計(jì)算：64.1.3主電路的仿真74.1.4主電路的仿真輸出波形84.2控制電路的選型與計(jì)算過程84.2.1NE555的引腳圖及引腳84.2.2 NE555工作原理94.2.3控制電路原理圖94.2.4控制電路理論計(jì)算過程104.2.5控制電路的仿真與波形輸出104.3帶tlp250光耦合器的驅(qū)動電路的選型114.3.1 tlp250引腳圖及引腳114.3.2采用tlp250的原理114.4繪制原理圖和PCB124.4.1主電路原理圖124.4.2主電路PCB圖134.4.3 555電路圖134.4.4 光耦tlp250原理圖134.4.5穩(wěn)定光耦tlp250輸出電壓原理圖144.4.6控制電路pcb圖144.5列出元器件的規(guī)格、型號和明細(xì)表144.6PCB實(shí)物制作和調(diào)試過程154.6.1主電路實(shí)物圖164.6.2控制電路實(shí)物圖164.6.3調(diào)試過程164.6.4調(diào)試結(jié)果為：占空比為30%時，174.6.5理論值與實(shí)際值的比較174.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和處理175.心得體會186.主要參考文獻(xiàn)191. 設(shè)計(jì)的題目1.1引言 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已被廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有動力機(jī)裝置需要一個穩(wěn)定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時那轉(zhuǎn)變的直流電壓同所需設(shè)備要求人仍不相符，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在充電蓄電電路、直流傳動系統(tǒng)、電力電子變換裝置、開關(guān)電源及各種用電設(shè)備中得到普遍的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路、升降壓斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于直流開關(guān)電源和電機(jī)推動中，使其控制獲得加速平滑、快速響應(yīng)、加快節(jié)能的效果。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設(shè)計(jì)，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)。 本次的課程設(shè)計(jì)主要是升壓斬波電路的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)是基于NE555芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.設(shè)計(jì)采用Matlab和Protel及protues三個軟件進(jìn)行仿真制作。先提出設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)目的和要求找出主電路，控制電路的設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定元器件選擇，protues畫出原理圖，然后仿真出波形。Matlab主要是理論分析，借助其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真功能可也很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線圖。通過設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系。Protel進(jìn)行封裝，印刷出電路板進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。1.2升壓斬波電路的應(yīng)用 升壓斬波電路目前的典型應(yīng)用，一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（power factor correction,PFC）電路，三是用于其它交直流電源中。 2.設(shè)計(jì)的任務(wù)：2.1 課程設(shè)計(jì)要求1) 熟悉掌握變換電路和控制電路的基本原理，掌握主電路設(shè)計(jì)的過程（包括計(jì)算和器件選型）2) 能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識，分析設(shè)計(jì)任務(wù)并使用Matlab或Saber等仿真說明3) 能正確設(shè)計(jì)電路與圖紙（Protel99se/AltiumDesign原理圖和單層板PCB圖紙），完成PCB實(shí)物制作并調(diào)試4) 掌握實(shí)際電路的測量與調(diào)試方法，對數(shù)據(jù)和波形分析、處理并加以判斷2.2Boost電路技術(shù)參數(shù)及要求1）輸入直流電壓：Ud=24V；2) 輸出功率：030W；3）開關(guān)頻率：1020KHz；4) 占空比：10%50%；5）輸出電壓脈率：小于10%。3.設(shè)計(jì)的依據(jù)：3.1總體構(gòu)思依據(jù)直流斬波電路總共分為三個部分電路摸塊，分別為主電路模塊控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。 1、主電路模塊： 由MOS管的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小。2、控制電路模塊：用來PWM技術(shù)控制MOS管的開通與關(guān)斷。 3、驅(qū)動電路模塊：用555諧振蕩器來驅(qū)動MOS管原理框圖：控制電路驅(qū)動電路555諧振蕩器Boost主電路43.2理論計(jì)算依據(jù)假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為，V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，化簡得：.（1-1）.（1-2），輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為Boost Chopper變換器。升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： . （1-3）因此式（1-2）可表示為: .（1-4）升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：L儲能之后具有使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住4.設(shè)計(jì)的內(nèi)容：4.1主電路的選擇與計(jì)算過程 4.1.1直流斬波電路由直流電源、MOSFET、電感、電容、續(xù)流二極管以及負(fù)載組成。具體原理電路圖如下：4.1.2主電路的理論計(jì)算：1）輸出電壓： .(1-5)2）輸出電流： 3）負(fù)載阻值： . (1-6) 4）紋波電壓： 5）電容： 6）電感： 4.1.3主電路的仿真直流電源參數(shù)設(shè)置為24V，占空比取30%。4.1.4主電路的仿真輸出波形4.2控制電路的選型與計(jì)算過程4.2.1NE555的引腳圖及引腳因?yàn)樵O(shè)計(jì)課題要求，所以選用555作為PWM發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為518V表示；從分壓器上看出，上比較器A1的腳接在 R1 和R2之間，所以5腳的電壓固定在2UCC/3上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器2腳輸入的高電平時，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平；2腳和6腳是互補(bǔ)的，2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于1Ucc/3，此時3腳輸出高電平。 6腳為閾值端，只對高電平起作用，低電平對它不起作用，即輸入電壓大于2 Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于1Ucc/3時才有效。3腳在高電位接近電源電壓Ucc，輸出電流最大可打200mA。 4腳是復(fù)位端，當(dāng)4腳電位小于0.4V時，不管2、6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。 5腳是控制端。 7腳稱放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實(shí)高（或低）、7腳稱為虛高。4.2.2 NE555工作原理555電路它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為2/3VCC和1/3VCC。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自6端輸入并超過參考電平2/3VCC時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3端輸出低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通。4.2.3控制電路原理圖 4.2.4控制電路理論計(jì)算過程取占空比，頻率取則由,得：； 4.2.5控制電路的仿真與波形輸出4.3帶tlp250光耦合器的驅(qū)動電路的選型4.3.1 tlp250引腳圖及引腳4.3.2采用tlp250的原理因?yàn)橹麟娐冯妷壕鶠楦唠妷?、大電流情況，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng)抗干擾措施，可采用帶光電隔離的MOSFET驅(qū)動芯片TLP250。光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動能力達(dá)1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動MOSFET的能力，使驅(qū)動電路特別簡單。4.4繪制原理圖和PCB4.4.1主電路原理圖4.4.2主電路PCB圖4.4.3 555電路圖 4.4.4 光耦tlp250原理圖4.4.5穩(wěn)定光耦tlp250輸出電壓原理圖4.4.6控制電路pcb圖4.5列出元器件的規(guī)格、型號和明細(xì)表器件名稱規(guī)格型號個數(shù)（個）保險(xiǎn)絲1.5AF1.5AL2501保險(xiǎn)絲座2船型開關(guān)10A/250VAC1電解電容50V/470uf1電解電容50v/220UF140芯彩色扁平電纜線若干1.5方多股電纜（紅）若干1.5方多股電纜（黑）若干1.5方多股電纜（黃）若干獨(dú)石50V/0.1uf1045獨(dú)石50V/0.01uf1035MOSFETIRF530N1快恢復(fù)二極管MBR101501穩(wěn)壓管5.1V1二極管IN40042高速光耦TLP2501功率電感1mH2電阻1K,3K,100，10K各1個滑動變阻計(jì)2K1大功率可調(diào)線繞電阻200RXG20-T-50W1控制芯片NE555NE5551接插件2EDG-5.08-2P48腳圓孔IC插座2開關(guān)穩(wěn)壓電源120W,24V1單相三線電源線14插位帶獨(dú)立觸點(diǎn)開關(guān)3米插線板1ACDC輔助電源12V，1A1ACDC輔助電源5V, 1A14.6PCB實(shí)物制作和調(diào)試過程4.6.1主電路實(shí)物圖4.6.2控制電路實(shí)物圖4.6.3調(diào)試過程調(diào)試時可分為三個模塊進(jìn)行：1、555脈沖產(chǎn)生模塊測試：這是測試控制回路的最基本要求，分別測試脈沖波形、頻率與幅值，并通過調(diào)節(jié)電位器改變占空比。2、光耦隔離器觸發(fā)脈沖測試：光耦隔離器TPL250為MOSFET管的驅(qū)動模塊，其產(chǎn)生一個高電平為7V和一個低電平為-5V的驅(qū)動脈沖，頻率與555脈沖一致。3、主回路負(fù)載兩端輸出測試：負(fù)載兩端的電壓波形與仿真一致，輸出電壓結(jié)果與計(jì)算結(jié)果和仿真一致，調(diào)節(jié)不同占空比可得到不同脈振率的輸出電壓波形。4.6.4調(diào)試結(jié)果為：占空比為30%時，1）實(shí)際電路MOSFET觸發(fā)脈沖波形為方波 ； 2）實(shí)際輸出電壓值： 4.6.5理論值與實(shí)際值的比較器件名稱理論值實(shí)際值主電路電容11.3uF220uF主電路電感96uH2mHNE555實(shí)際電路電阻3K1.3KNE555實(shí)際電路電阻7K4.7K4.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和處理在做完板子進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)控制電路輸出脈沖的頻率太低，低于5KHZ，使得主電路中的電感容易燒壞，便對控制電路中電阻RA和RB進(jìn)行修改，使得最終輸出的頻率達(dá)到10KHZ以上。盡管如此，但是在測試主電路時發(fā)現(xiàn)電感還是還是容易發(fā)燙，并且正常工作一段時間后燒掉，于是便上網(wǎng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)是我們用的理論計(jì)算值220UH的電感太小，便對電感進(jìn)行更換，換成1MH的電感后雖然不會很快燒掉，但是還是會發(fā)燙得厲害。后面想再加大電感，但是實(shí)驗(yàn)室里面沒有合適的電感，再大一些的就剩10MH的電感，但會使電壓降低的太厲害，于是我們想到的處理辦法是用兩個1MH的電感進(jìn)行串聯(lián)，最后才使得主電路可以正常工作。通過這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出的結(jié)論是按照本次實(shí)驗(yàn)的要求做的升壓電路中電感的值應(yīng)取23MH，負(fù)載兩端的電容應(yīng)取470UF，并且為使輸出的波形毛刺少些，可在輸出端加幾個104、103的濾波電容。5.心得體會經(jīng)過一番深刻的探究后，我們小組最終選擇了難度適中的升壓斬波電路設(shè)計(jì)。原本我們也曾考慮過反激電路的設(shè)計(jì)，但由于其設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)工藝對于我們來說過于復(fù)雜，而且缺乏理論知識的支撐，使課程設(shè)計(jì)結(jié)果可能不盡人意，所以放棄該課題的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。選定明確的課題任務(wù)以后，第一步，我們開始集合小組各個成員的力量，并分配各個成員的任務(wù)。通過各個渠道收集升壓斬波電路各元件的計(jì)算公式，和NE555觸發(fā)器的原理圖，了解其各個引腳的工作方式以及運(yùn)用NE555觸發(fā)的控制電路的相關(guān)信息。之后，成員之間進(jìn)行了相互討論和推敲，得到令人滿意的計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合老師所給的參考信息，最終選定了控制電路及主電路的電感、電容和電阻等器件的型號。第二步，進(jìn)行仿真電路的仿真，仿真軟件包括MATLAB、PROTEL及PROTUES。由于在之前的電力電子課程中，老師已經(jīng)提前教我們?nèi)腴T如何使用matlab進(jìn)行一些簡單的仿真以及protel的入門使用，我們對于軟件的使用便沒有那么生疏了。通過小組成員之間的相互合作，仿真過程進(jìn)行的相當(dāng)順利，其結(jié)果也相當(dāng)令人滿意，得出理想的設(shè)計(jì)方案。最后一步，我們終于動手開始制作電路板，然后進(jìn)行電路調(diào)試。在調(diào)試的其中我們也遇到了很多的問題，其中在調(diào)試555時基電路中示波器的接地觸頭放在12V電源的接地端，會發(fā)現(xiàn)示波器不會輸出波形，而放在5V電源的接地端則可以得到很不錯的波形，關(guān)于這個問題，我們也很難理解。在主電路的調(diào)試過程中，起初我們使用220uH的電感，把保險(xiǎn)絲直接燒毀，之后換了1mH的電感保險(xiǎn)絲扔被燒毀，我們發(fā)現(xiàn)24v供給電源的輸出額定電流有14.6A,就認(rèn)為可能是由