升降压斩波电路课设.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：1010100V100V升降压直流斩波实验装置升降压直流斩波实验装置 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：202012-12-31至至2012-1-11 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 1010100V100V升降压直流斩波实验装置升降压直流斩波实验装置 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、 观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压压斩波 的相关理论知识。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、通过计算选择整流器件的 具体型号。4、斩波电路设计。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。 要求要求 1、文字在 4000 字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、交流电源：单相 220V。2、前级整流输出电压限制在 50V 以内。3、斩波输 出电流最大值 2A。4、负载：纯电阻。5、斩波输出直流电压在 10100V 左右 可调。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：整 流电路设计；第 5 天：斩波电路设计；第 6 天：驱动电路设计；第 7 天：元器 件具体选择；第 8 天：在实验室调试；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天： 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 本文阐述六种直流斩波电路中的升降压斩波电路，随着半导体工业的发展， DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流 变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正， 以及用于其他领域的交直流电源。直流斩波电路无论是从性能、功率还是节能性 上都处于不断地发展之中。升降压斩波电路是升压斩波电路与降压斩波电路的结 合体，兼容了二者的功能，因此决定了其能适应更加复杂多变的环境，同时也方 便于升级与改良，目前主要运用在于于拖动直流电动机。采用桥式整流电路将工 频交流整流为适当的直流电压，用 SG3525 作为驱动电路，并在电路中串入熔断 器，对电路进行保护，实现升降压直流斩波可调电路。 关键词：升降压 斩波 SG3525 驱动 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .1 第 2 章 升降压直流斩波电路设计 .3 2.1 升降压直流斩波电路总体设计方案 .3 2.2 具体电路设计 .3 2.2.1 整流电路设计.3 2.2.2 升降压斩波电路.4 2.2.3 控制和驱动电路设计.6 2.2.4 保护电路设计.8 2.3 元器件型号选择、参数分析 .10 2.4 系统仿真 .11 第 3 章 课程设计总结 .14 参考文献 .15 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电， 包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路， 它的功能是将直流电变成为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将 直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路 是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输 出间的隔离，因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。 直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩 波电路、升降压斩波电路、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路，其 中前两种是最基本的电路。 直流斩波器在把直流变换成另一电压直流的过程中，依靠的是脉冲宽度调制 (PWM)的工作方式，因此直流斩波调速系统也称直流脉宽调速系统。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）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。当今世界软开关技术使得 DC/DC 变换器发生了质得变化和飞跃。 经济性能：直流电动机 VM 调速系统使用的电源是三相交流电源，但是在 许多应用场合的电源却是直流电源，例采用直流电网供电的城市公交车(电车)、 地铁，由蓄电池供 电的电动汽车、电瓶车等，在这种应用场合使用的直流调速 系统则必须采用 DCDC 变换器，即在这种应用场合不能使用 VM 调速系统，而 应使用直流斩波调速 系统。 长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多 数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领 域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT 等)的 发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。随着 社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、 低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文设计内容 从经济与技术角度考虑，首先，设计整流电路，并通过计算选择整流器件的 具体型号。其次，对斩波电路进行设计，再设计或选择驱动电路。最后绘制相关 电路图。 电路中要求：交流电源为单项 220V，前级整流输出电压限制在 50V 以内，斩 波电路所带负载为纯电阻负载，斩波电路输出电流最大值为 2A，输出直流电压在 10100V 左右可调。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 升降压直流斩波电路设计 2.1 升降压直流斩波电路总体设计方案 工频交流 直流 直流 直流可调 图 2.1 总体设计方案 交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电，再通过升降压斩波电 路输出直流可调电压，其基本的变换过程如图 2.1 所示。 2.2 具体电路设计 2.2.1 整流电路设计 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的 单项导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 其中电源变压器的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压 1 ，电阻是要求直流供电的负载电阻，四只整流管接成电桥的形 2= 22sin 式，故有桥式整流电路之称。 图 2.2 整流电路 用傅里叶级数对桥式整流电路中负载两端的电压的波形进行分解后可得。 整流 电路 控制、 驱动 电路 升降压 斩波 负载 本科生课程设计（论文） 4 ttt VvL 6cos 35 4 4cos 15 4 cos 3 42 2 2 式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有： V V VL 2 2 2 9 . 0 22 通过负载的电流为: = 0.92 二极管是两两轮流导通的，所以流经每一个二极管的平均电流为： R V L I 2 45 . 0 在正半周时，二极管所承受的最大反向电压为最大值，即 22 VVRM 2 2 考虑电压波动范围为.实际上选用的二极管的最大整流电流和最高 10% 反向电压应留有大于的余量。 10% 负载平均电压升高，纹波减小，且C 越大，电容放电速率越慢，则负载 电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压，一般取 =C(35) 2 式中 T 为电源交流电压的周期。电容滤波电路的负载电压与的关系约 2 为。 2.2.2 升降压斩波电路 （1） 工作原理 如图 2.4，当可控开关 V 处于通态时，电源 E 经 V 向电感 L 供电使其储存能量， 此时电流为 ，电容 C 维持输出电压基本恒定并向负载 R 供电。此后，使 V 关断， 1 i 电感 L 中储存的能量向负载释放，电流为，负载电压极性为上负下正，与电源 2 i 电压极性相反，与降压斩波电路和升压斩波电路的情况正好相反，因此该电路也 称为反极性斩波电路。 稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压 UL 对时间的积分为零，即 本科生课程设计（论文） 5 0 0 dtU T L 当 V 处于通态期间，UL=E；而当 V 处于断态期间，UL=-Uo。于是 offoon tUEt 所以输出电压为 EE tT t E t t U on on off on O 1 改变占空比 ，输出不但电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 012 时为降压，当 121 时为升压，因此将该电路称做升降压斩 波电路。 图 2.3 升降压斩波电路 （2） 波形图 输出电压EE t t U off on O 1 图 2.4 给出了电源电路 i1 和负载电流 i2 的波形，设两者的平均值分别为 I1、I2，当电流脉动足够小时，有 off on t t I I 2 1 由上式可得 112 1 II t t I on off 如果 V、VD 为没有损耗的理想开关时，则有 21 IUEI O 其输出功率和输入功率相等，可看做直流变压器。 本科生课程设计（论文） 6 I1 on t off t 0 t i2 t 图 2.4 输出电流波形图 2.2.3 控制和驱动电路设计 SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 控制芯片， 它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动功能；内部 含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器，有过流保护功能，频率可调， 同时能限制最大占空比。 其特点如下： （1）工作电压范围宽：835V。 （2）5.1（11.0%）V 微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置软启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有 PWM 琐存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。 SG3525 内置了 5.1V 精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电 压范围内，无须外接分压电组。SG3525 还增加了同步功能，可以工作在主从模式， 本科生课程设计（论文） 7 也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在 CT 引脚和 Discharge 引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于 SG3525 内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 SG3525 内部结构如图 2.5 所示，直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路 加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。 振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻 RT 和电容 CT 决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发 器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向 输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比 较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉 冲送 到或非门的一个输入端。其他引脚分别为：引脚 1 为反相输入，2 为同相输入引 脚，3 为同步端引脚，4 为振荡器输出引脚，7 为放电端引脚，8 为软启动端引脚， 9 为补偿引脚，10 为闭锁控制引脚，引脚 12 接地。 图 2.5 SG3525 内部结构图 本科生课程设计（论文） 8 图 2.6 SG3525 外部引脚 在升降压斩波电路中，三极管 V 的基极接驱动电路的 V-G，发射极 E 接驱动 电路的 V-E，结点 11、12、13、14 为 SG3525 的相应引脚。如图 2.7 图 2.7 驱动电路 2.2.4 保护电路设计 电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外， 采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和 di/dt 也是必须的。 抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电 压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。 对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现 过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用 116 215 314 413 512 611 710 8 9 本科生课程设计（论文） 9 RC 吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的 电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联 电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制 LC 回路的震动。保护电路如图 2.6 所 示。 除此之外还有其他的保护装置，如下： 一、防止阳极电压上升率过高保护 在保护电路中串联接入适当的电感即可起到防止阳极电压上升率过高的保护。 二、晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而 损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电 路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电 压，常采用简单有效的过电压保护措施。 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。 三、晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关 过电流保护。 快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开 关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好， 但造价高，体积大，不宜采用。 因此，最佳方案是用快速熔断器保护。 图 2.7 快速熔断器 图 2.6 过电压保护电路 本科生课程设计（论文） 10 2.3 元器件型号选择、参数分析 图 2.8 总电路图 （1）前级整流电路 负载平均电压升高，纹波减小，且C 越大，电容放电速率越慢，则负载 电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压，一般取 =C(35) 2 式中 T 为电源交流电压的周期。电容滤波电路的负载电压与的关系约 2 为。 令整流后输出电压为 50V，则整流前输入电压=/1.2=50/1.2=41.7V 2 V L V SG3525 15 13 16 11 5 14 6 7 12 1 9 2 本科生课程设计（论文） 11 因为电源为交流单项 220V，变压器变比需满足：=220:41.7=4:1 1 V 2 V 此时前级整流输出电压 E 为 50V。 并且为满足输出电流最大 2A，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为， o I =/2=1A。 VT I o I 变压器二次侧的电流 2A，由变压器变比为 4:1，流过一次侧的电流为 0.5A。 （2）输出直流电压 要求输出直流电压在 10100V 可调，由输出电压公式可知， o UEUO 1 当为 10V 时，占空比=1/6；当为 100V 时，占空比=2/3。即控制占空比 o U o U 在 1/62/3 之间，可得输出直流电压在 10100V 可调。 o U 为使电路正常工作驱动电路中 R1、R2 为 1K，R3 为 5.1K，R4 为 10K，电位器 R0 为 0100K，R5 为 10K。 要求最大输出电流为 2A，故负载功率范围为 20200W，流过 VT 二极管、 V 三极管的最大电流为 2A。熔断器的最大熔断电流为 2A。可选 WICKMANN 181 2A 陶瓷管保险丝。 （3）其他器件选择 整流电路中二极管选择为 IN5232，驱动电路中二极管选 择为 IN4148，驱动电路中 C1 为 0.01F 2.4 系统仿真 （1）驱动电路的仿真波形 本科