升壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告（20142015學(xué)年 第二學(xué)期）系 別 信息與控制工程系 題 目 升壓斬波電路設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電氣自動(dòng)化 班 級(jí) 1203 學(xué) 號(hào) 3121010330 姓 名 彭中杰 指導(dǎo)教師 孟顯嬌 完成時(shí)間 評(píng)定成績(jī) 升壓斬波電路（Boost Chopper）設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)是基于SG3525芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.設(shè)計(jì)由Matlab仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。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，最后進(jìn)行了GUI編程，利用圖形可視

2、化界面的直觀易懂的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)摒棄了繁瑣難懂的單一波形和控制方式，從而具有友好界面，非常方便的就可進(jìn)行控制參數(shù)輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，它可以通過BluePrint、Kicad 、Protel等軟件設(shè)計(jì)完成，其中Protel原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)以其分層次的設(shè)計(jì)環(huán)境，強(qiáng)大的元件及元件庫(kù)的組織功能，方便易用的連線工具，強(qiáng)大的編輯功能設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，與印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的緊密連接，自定義原理圖模板高質(zhì)量的輸出等等優(yōu)點(diǎn)，和豐富的設(shè)計(jì)法則，易用的編輯環(huán)境，輕松的交互性手動(dòng)布線，簡(jiǎn)便的封裝形式的編輯及組織，高智能的基于形狀的自定布線功能，萬無一失的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使其在我們學(xué)生選用P

3、CB電路板設(shè)計(jì)軟件中占了絕大部分比重。本設(shè)計(jì)也采用Protel設(shè)計(jì)原理圖，和進(jìn)行PCB板布線。它是本設(shè)計(jì)從理論到實(shí)際制作的必進(jìn)途徑，通過設(shè)定相應(yīng)的規(guī)則，足以滿足設(shè)計(jì)所要求的規(guī)定。關(guān)鍵字 升壓斬波; SG3525 ; （20142015學(xué)年 第二學(xué)期）11概述42課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求52.1設(shè)計(jì)任務(wù)52.2設(shè)計(jì)要求52.3設(shè)計(jì)主流程圖53.設(shè)計(jì)理論63.1 升壓斬波工作原理6主電路工作原理63.2數(shù)量關(guān)系74.硬件設(shè)計(jì)84.1 升壓直流變換器電路總設(shè)計(jì)概述84.2儲(chǔ)能電感L的選擇84.2輸出濾波電容的選擇94.3驅(qū)動(dòng)電路選擇94.4保護(hù)電路原理介紹104.5保護(hù)電路的芯片介紹115.具體電路設(shè)計(jì)1

4、36.心得體會(huì)147.附錄158.參考文獻(xiàn)161王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第四版).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000163 張乃國(guó)電源技術(shù)北京：中國(guó)電力出版社，1998166陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社161概述直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電

5、力電子器件IGBT在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問題:（1）系統(tǒng)損耗的問；（2）柵極電阻；（3）驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)過流過壓保護(hù)的問題。2課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)理論設(shè)計(jì)：了解掌握Boost電路的工作原理，設(shè)計(jì)Boost電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流、電壓額定的選擇；驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖。2.2設(shè)計(jì)要求對(duì)Boost電路的主電路和控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。分兩組參數(shù)，每組參數(shù)如下：（1） 直流電壓E=50V，負(fù)載中R=20，L、C值極大。（2） 直流電壓E=20

6、0V，負(fù)載中R=20，L、C值極大。2.3設(shè)計(jì)主流程圖根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)電路的主程序流程如圖所示。 3.設(shè)計(jì)理論3.1 升壓斬波工作原理主電路工作原理 圖一假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)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(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton()offotIEU1-V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 化簡(jiǎn)得： ，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost chooper變換器。升

7、壓比，調(diào)節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作，即。b和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： 因此，可表示為 升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因： L儲(chǔ)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3.2數(shù)量關(guān)系設(shè)IGBT通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積存的能量為：EI1ton 設(shè)IGBT斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此段時(shí)間內(nèi)電感L釋放能量為：（U0-E）I1t穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)中L積存的能量與釋放的能量相等： T/t off >1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。 T/t off 升壓比;升壓比的倒數(shù)記為，即= toff /T 。又因?yàn)?=1。所以： 電壓升高得原因：電感L儲(chǔ)能

8、使電壓泵升的作用，電容可將輸出電壓保持住4.硬件設(shè)計(jì)4.1 升壓直流變換器電路總設(shè)計(jì)概述 電源電路產(chǎn)生的穩(wěn)定24V直流電作為主電路（斬波電路）的輸入電源，電源電路產(chǎn)生的穩(wěn)定的直流+5V電壓控制單片機(jī)，通過單片機(jī)來輸出脈沖占空比可變的波，從而使升壓斬波電路升壓并輸出可調(diào)的脈沖電壓Uo。把輸出電壓Uo通過降壓后得到的信號(hào)Uco反饋給A/D轉(zhuǎn)換電路，再通過比較器判斷電壓是否過壓，過壓則單片機(jī)輸出恒高電平，是MOSFET關(guān)斷,因此整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)可調(diào)的直流升壓斬波電陸，并且達(dá)到過壓保護(hù)的目的。本設(shè)計(jì)主要由:電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、斬波電路和保護(hù)電路組成。4.2儲(chǔ)能電感L的選擇 電感電流包括直流平

9、均植和紋波分量?jī)刹糠?，其電流平均值如下確定。假定忽略電路的內(nèi)部損耗，電路中開關(guān)f設(shè)為1KHz，則Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是從電源Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是從電源Vi取出平均電流,也是流入電感的平均電流IL,以下中Vi=E=24V，V0=U0=60V,P0=40W,I0=0.67A Vo= Vi*T/toff,和保護(hù)電路組成。Vo= Vi*T/toff, 故有 Ii= Vo*Io/ Vi=Io*T/toff 選擇 I=Vi*ton/L=1.4Ii， 則電感L為 L= Vi*ton/1.4Ii ton=T*( Vo- Vi)/ Vo=(Vo-Vi)f*V0 假定忽略內(nèi)部的損耗，則

10、Vi*Ii=Vo*I0 故有 Ii= Vo*Io/ VI 因此 L= Vi*ton/1.4Ii= Vi²*（Vo- Vi）/1.4f * Vo²*I0 已知輸出電壓Vo、輸出電流Io、輸入電壓Vi和開關(guān)頻率f，就可求出電感值。則： L24²（60-24）/1.4*1000*60²*0.67=0.00617H因此L的規(guī)格選為L(zhǎng)GC0410 其電感量為0.15uH 56uH 額定電流范圍為1.85A 300mA。4.2輸出濾波電容的選擇 假如輸出濾波電容C必須在V開啟的ton期間供給全部負(fù)載電流，設(shè)在ton期間， C上的電壓降紋波電壓Vo，由式得 C=Io*

11、(ton/Vo) 由式，求得ton=T*(Vo-Vi)/Vo 故有 C= T*Io*(Vo-Vi)/Vo*Vo = Io*(Vo-Vi)/f*Vo*VoVo24*10%=2.4v C10*(60-24)/1000*2.4*60=0.000167F4.3驅(qū)動(dòng)電路選擇 IGBT的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對(duì)IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同

12、時(shí)，門極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件： (1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-10V。 (4)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于

13、抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT 的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。IGBT驅(qū)動(dòng)電路分類驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。 IGBT驅(qū)動(dòng)

14、電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計(jì)出了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)方案。4.4保護(hù)電路原理介紹 試驗(yàn)方案中還設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，如下圖，下圖是過流保護(hù)電路圖。 R7是100K ，串聯(lián)在負(fù)載管兩邊，R7的一邊連接地，另一邊輸入運(yùn)算放大器的負(fù)（即引腳2），引腳3接滑動(dòng)變阻器R4，R4取值10 ，因?yàn)閿夭娐返妮敵鲭妷篣0為

15、60V，輸出功率40W，即I0為0.67A，所以設(shè)保護(hù)電流參數(shù)為1.5A（R4接電壓15V，R4為10，即參考電流為1.5A），將反饋電流與的保護(hù)電流參數(shù)值相互比較，如果大于限定值則使單片機(jī)8051的P2.1腳置低電平，使單片機(jī)89S52的輸出引腳P1.5輸出恒為低，從而光耦驅(qū)動(dòng)停止，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，從而關(guān)斷MOSFET管，以達(dá)到保護(hù)電路的作用。同時(shí)，將P1.4置高電平，使發(fā)光二極管發(fā)光。從而達(dá)到報(bào)警功能。4.5保護(hù)電路的芯片介紹 保護(hù)電路中使用的單片機(jī)是8051，設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)單片機(jī)芯片會(huì)增加成本，不過由于編程的原因，所以采用與控制電路不同的單片機(jī)芯片8051，8051單片微型計(jì)算機(jī)

16、簡(jiǎn)稱單片機(jī)，與89S52的引腳功能相似。 0809美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，是因?yàn)槠鋬?nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片 1）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?2）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)） 4）不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，模擬輸入電壓范圍0+5V。 5）單個(gè)+5V電源供電 6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度 7）低功耗，約15mW。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。5.

17、具體電路設(shè)計(jì)外接220V交流電壓經(jīng)過變壓器T1和不控整流電路得到50V的直流電壓E作為Boost Chopper 的輸入電壓給Boost Chopper供電。為使IGBT在過壓時(shí)不至于損害和抑制IGBT的電流變化過快及其兩端電壓變化過快而給IGBT帶來的損害，在主電路中為其加入緩沖電路和過壓保護(hù)電路是必要的。觸發(fā)電路以專用的PWM控制芯片SG3525為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比可調(diào)的矩形波形，占空比受Uco的控制（如圖1-13）。觸發(fā)電路輸出的矩形波經(jīng)光耦合驅(qū)動(dòng)電路控制主電路中I GBT的開通和關(guān)斷。電路設(shè)計(jì)好后主電路中的電感電容值已確定，此時(shí)只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost輸出電

18、壓。電路設(shè)計(jì)好后主電路中的電感電容值已確定，此時(shí)只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost輸出電壓。占空比越大，Boost的輸出電壓值越大 主電路 觸發(fā)電路6.心得體會(huì) 一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，使我有了很多的心得體會(huì)，可以說這次直流電機(jī)斬波電路的課程設(shè)計(jì)是在不斷的努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。 通過這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門課程的了解，以前總是覺得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過這次設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識(shí)的限制，設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。 通過對(duì)電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。另外，通過網(wǎng)上檢索文獻(xiàn)，我學(xué)到了很多實(shí)用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務(wù)到查找資料，到設(shè)計(jì)電路圖，到最后的實(shí)際接線過程中，我學(xué)到了課堂上學(xué)習(xí)不到的知識(shí)。上課時(shí)總覺得所學(xué)的知識(shí)太抽象，沒什么用途，現(xiàn)在終于認(rèn)識(shí)到它的重要性。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。很感激學(xué)校給了我們這次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓我們學(xué)生有了一個(gè)共同學(xué)習(xí)，增長(zhǎng)見識(shí)，