電氣工程boost斬波電路升壓斬波電路電力電子技術(shù)課程設(shè)計

1、BOOST斬波電路課程設(shè)計說明書目錄摘要- 1 -1 BOOST斬波電路工作原理- 2 -1.1主電路工作原理- 2 -1.2控制電路選擇- 2 -2 硬件調(diào)試- 4 -2.1電源電路設(shè)計- 4 -2.2升壓（boost）斬波電路主電路設(shè)計- 5 -2.3控制電路設(shè)計- 6 -2.4驅(qū)動電路設(shè)計- 10 -2.5保護電路設(shè)計- 11 -2.5.1過壓保護電路- 11 -2.5.2過流保護電路- 13 -2.6直流升壓斬波電路總電路- 13 -3總結(jié)- 15 -4參考文獻- 16 -直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter

2、），直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）。本設(shè)計是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調(diào)制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設(shè)計分為Multisim仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。Multisim主要是仿真分析，借助其強大的仿真功能可以很直觀的看到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

3、關(guān)系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結(jié)果。第二部分是硬件電路設(shè)計，它通過軟件設(shè)計完成。關(guān)鍵字：直流斬波；PWM；SG3525- 12 -1 BOOST斬波電路工作原理1.1 主電路工作原理本實驗主電路是直流升壓斬波電路即boost斬波電路。圖1-1 直流升壓斬波電路原理圖直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其理圖如圖1-1所示。在電路中V導通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負載側(cè)輸出電

4、流和電壓的大小。負載側(cè)輸出電壓的平均值為: （1-1） 式中T為V開關(guān)周期,為導通時間，為關(guān)斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。1.2 控制電路選擇控制電路選用SG3525產(chǎn)生脈沖，再利用TLP250作為驅(qū)動，最終利用MOSFET管來實現(xiàn)對主電路的控制，最終電路如圖1-2、圖1

5、-3所示。圖1-2 SG3525脈沖產(chǎn)生電路圖1-3 TLP250脈沖驅(qū)動電路2 2 硬件調(diào)試2.1 電源電路設(shè)計 本課設(shè)采用的是電容濾波的單相橋式不可控整流電路，常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中。其工作原理圖如下：圖 2-1a 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形³ 主要的數(shù)量關(guān)系 （以電阻負載為例）：1） 輸出電壓平均值 整流電壓平均值Ud 可根據(jù)輸出波形及有關(guān)計算公式推導得出，但推導繁瑣?？蛰d時，。重載時， Ud 逐漸趨近于0.9U2， 即趨近于接近電阻負載時的特性。 通常在設(shè)計時根據(jù)負載的情況選擇電容C 值，使，T 為交流電源的

6、周期，此時輸出電壓為： Ud 1.2 U2 。圖 2-1b 電容濾波的單相不可控整流電路輸出電壓與輸出電流的關(guān)系2） 電流平均值 輸出電流平均值 為： 二極管電流iD 平均值為 ：3） 二極管承受的電壓：2.2 升壓（boost）斬波電路主電路設(shè)計1）升壓斬波電路的原理圖如圖所示：圖 2-2a 升壓斬波電路原理圖圖2-2a中假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton；V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為。

7、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），輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost變換器。表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導通占空比有如下關(guān)系： （2）因此，式（1）可表示為 （3）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。2）主電路工作原理圖 2-2b 主電路工作原理圖其中示波器觀察控制電路輸出脈沖的寬度和幅值，電壓表分別用來測電源、MOSFET、負載的電壓。直流電源需通過電源電路變壓整流獲得；PMW波由基于SG3525的控制電路產(chǎn)生，以控制MOSFET的通斷。其

8、工作原理已在上面說過。2.3 控制電路設(shè)計隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用。為此，美國硅通用半導體公司推出了SG3525，以用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比?？刂齐娐沸枰獙崿F(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)，達到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護功能。我們采取的

9、是由電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525為核心組成的控制電路。SG3525 的管腳如圖所示圖 2-3a SG3525管腳圖其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1）V，而且設(shè)有過流保護電路。腳5，腳6，腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和輸入腳1 之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)。各管腳具體功能如下：1 腳：誤差放大器的反相輸入端； 2 腳：誤差放大器

10、的同相輸入端； 3 腳：同步信號輸入端， 同步脈沖的頻率應比振蕩器頻率fs 要低一些；4 腳：振蕩器輸出； 5 腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs1/CT（0.7RT+3R0）,R0為5腳與7腳之間跨接的電阻，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時間，定時電容范圍為0.0010.1 F； 6 腳：振蕩器外接定時電阻RT端，RT值為2150 k； 7 腳：振蕩器放電端，用外接電阻來控制死區(qū)時間，電阻范圍為0500 ； 8 腳：軟啟動端，外接軟啟動電容，該電容由內(nèi)部Vref的50A恒流源充電； 9 腳：誤差放大器的輸出端； 10腳：PWM信號封鎖端，當該腳為高電平時，輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖，該腳主要用于故障保護；

11、11腳：A路驅(qū)動信號輸出； 12腳：接地； 13腳：輸出集電極電壓； 14腳：B路驅(qū)動信號輸出； 15腳：電源， 其范圍為835 V，通常采用+15V； 16腳：內(nèi)部5 V基準電壓輸出。SG3525芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示圖 2-3b SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖SG3525芯片內(nèi)部集成了精密基準電源、誤差放大器、帶同步功能的振蕩器、脈沖同步觸發(fā)器、圖騰柱式輸出晶體管、PWM比較器、PWM鎖存器、軟啟動電路、關(guān)斷電路和欠壓鎖定電路。 芯片+5.1V基準電壓精度為±1%，由于基準電壓值在誤差放大器的輸入共模范圍內(nèi)，因此，無須外接電阻。SG3525可以工作在主從模式，也可以與外部時鐘同步。通過CT

12、端(引腳) 與放電端之間的電阻可以設(shè)置死區(qū)時間。 SG3525采用電壓模式控制方式，工作原理波形如圖311所示。振蕩器輸出的時鐘信號觸發(fā)PWM鎖存器(Latch)，形成PWM信號的上升沿，使主電路的開關(guān)器件開通。誤差放大器的輸出信號與振蕩器輸出的三角波信號相比較，當三角波的瞬時值高于誤差放大器的輸出時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)PWM鎖存器，形成PWM信號的下降沿，使主電路的開關(guān)器件關(guān)斷。F/F觸發(fā)器用作分頻器，將PWM鎖存器的輸出分頻，得到占空比為0.5、頻率為振蕩器頻率一半的方波。 1. 軟啟動 SG3525的軟啟動電容接入端(引腳) 上通常接一個5F的軟啟動電容。充電過程中，由于電容兩端的電

13、壓不能突變，因此，與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反相輸入端處于低電平，PWM比較器輸出為高電平。此時，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導通。只有當軟啟動電容的充電電壓使引腳處于高電平時，SG3525才能開始工作。 2. 關(guān)斷操作 通過引腳(關(guān)斷端)來關(guān)閉SG3525的輸出。當引腳上的信號為高電平時，可以實現(xiàn)兩個功能： PWM鎖存器立即動作，同時軟啟動電容開始放電。放電電流只有 150A，如果關(guān)斷信號為短暫的高電平，PWM信號將被中止，但此時軟啟動電容沒有明顯的放電過程。利用這個特點，可以很容易地實現(xiàn)逐個脈沖限幅。但是，如果引腳 上的高電平維持

14、較長的時間，軟啟動電容將充分放電，當關(guān)斷信號結(jié)束時，將進入軟啟動過程。特別要注意的是引腳不應懸空，因為從該腳耦合進來的噪音信號將影響電路的正常工作。 也可以用補償和軟啟動引腳來關(guān)斷SG3525的輸出。由于補償和軟啟動引腳內(nèi)部都有上拉電流源，當外部電路有下拉信號時，最大只需吸收100A的電流就可關(guān)斷輸出。 圖 2-3c SG3525脈沖圖3. 振蕩器 在直流降壓斬波電路中可以通過調(diào)節(jié)2腳接的電阻值改變輸出脈沖信號的占空比。1、9腳短接形成反饋，控制2腳經(jīng)可調(diào)電阻器接5V電壓即可。本設(shè)計取CT=4700pF，RT=33k，RD=100，經(jīng)計算振蕩器輸出頻率是90kHz，PWM輸出頻率定為45kHz

15、。直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖

16、送至三極管VT1及VT2的基極（由腳11和腳14輸出），鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后，腳11及腳14分別輸出相位相差為180°的PWM波。在本設(shè)計選用的MOSFET是IRF640，它由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號驅(qū)動。下面是采用SG3525設(shè)計的控制電路圖 2-3d 基于SG3525的控制電路 2.4 驅(qū)動電路設(shè)計由于SG3525所產(chǎn)生的脈沖不足以驅(qū)動MOSFET管工作，還需要采用已TPL250為主控芯片的光耦驅(qū)動電路圖2-4 基于TPL250的控制光耦驅(qū)動電路2.5 保護電路設(shè)計2.5.1 過壓保護電路過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同

17、的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載保護。2.5.1.1 主電路器件保護當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖2-5a所示。圖2-5a RC阻容過電壓保護電路圖2.5.1.2 負載過壓保護如圖2-5b所示 比

18、較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上，輸出端接控制芯片10端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程，從而實現(xiàn)過壓保護。電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準電壓，比較器同相端電壓應在5V以內(nèi)，取負載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。圖2-5b 負載過壓保護2.5.2 過流保

19、護電路當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，對電路中元件的保護。2.6 直流升壓斬波電路總電路總電路圖如下圖所示（保護電路未加入）。圖2-6 BOOST斬波電路總電路圖2.7元器件列表器件名稱規(guī)格型號數(shù)量（單位）運算放大器LT12283個光耦合器TLP2501個大電感1mH1個電解電容-若干MOSFETIRF640N1個電阻-若干脈沖發(fā)生芯片SG35251塊滑動變阻器10K2個二極管IN40077個三極管NPN, PNP各1個快速熔斷絲6A/100V1個反向二極管IN40022個3 總結(jié)經(jīng)過兩個月的電力電子課程設(shè)計，