电力电子课程设计-基于TL494升压斩波电路设计.doc

电力电子课程设计班级：自动化10-6 姓名：郭胜 目录一、综述1二、电路组成12.1、电容滤波二极管不可控整流电路12.1.1、电容滤波二极管不可控整流电路的电路图12.1.2、电路分析22.2、PWM控制电路32.2.1、TL494内部组成与功能32.2.2、PWM控制电路42.3、驱动电路42.3.1、功率驱动集成芯片IR211052.3.2、基于IR2110的驱动电路52.4、boost升压斩波电路62.4.1、boost升压斩波电路图62.4.2、boost斩波电路原理分析62.4.2.1、基于实际电路的分析62.4.2.2、对于电路的粗略估算82.4.2.3、开关频率和占空比对电路的影响8三、总电路图及其调试10四、参考文献12一、综述 本直流斩波电路基于TL494脉冲触发电路设计，采用IRf640N电力MOS管和IR2110驱动芯片。本电路由四部分组成：电容滤波二极管不可控整流电路，PWM控制电路，驱动电路，boost斩波电路。工频正弦交流电经电容滤波二极管不可控整流电路整流，变为具有很小纹波的直流电，作为boost斩波电路的直流电压输入，以TL494芯片为核心的脉冲产生电路产生PWM波，经由以IR2110为核心的驱动电路接至MOS管的门极和原极，控制MOS管的开断，进而影响boost斩波电路的占空比，通过改变PWM波的占空比改变boost斩波电路输出电压。同时利用TL494的两个误差放大器设置过电压保护和过电流保护，驱动电路将控制电路和主电路经行电气隔离，对控制电路起保护作用。二、电路组成本电路共有四部分：电容滤波二极管不可控整流电路，PWM控制电路，驱动电路，boost升压斩波电路。2.1、电容滤波二极管不可控整流电路2.1.1、电容滤波二极管不可控整流电路的电路图该电路输出是具有很小纹波的直流电压，波形近似为：2.1.2、电路分析如上图，假设经过整流后的电压的幅值U，则一个周期内的波形为当电路开始工作时，电源先对电容和负载进行供电，此时电容处于充电状态，直到电容电压大于整流后的电源输出电压，此时电流为零：故当电容开始放电时的电压为此后二极管饭后截至，电容开始放电，直到电容电压再次和电源输出电压相同： 解得：根据具体的参数和，利用作图法可以求得电容电压和整流输出电压相等时的电角度。易知当负载越大时，滤波电压波动性越大，电容越大时，波动性越小。2.2、PWM控制电路本电路基于TL494电压型脉冲宽度调制电路，TL494集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。本电路利用两误差放大器，和死区时间引脚，完成过电压保护，过电流保护和软开关功能。2.2.1、TL494内部组成与功能TL494内部含有一个线性锯齿波发生器，两个误差放大器，一个死区时间比较器，一个PWM比较器，脉冲换向器。振荡器的震荡频率（开关频率）有外接的定式电阻和定式电容决定，的值与振荡频率的关系为：锯齿波的幅度与误差放大器的输出电压由脉宽调制（PWM）比较器进行比较，PWM比较器的输出送到脉冲触发电器和输出控制逻辑。误差电压由误差放大器产生，误差放大器将输出电压和5V内部备参考电压内部参考源之间的电压差放大，第二个误差放大器通常用来完成电流的限制功能。输出控制逻辑用来选择功率管推挽输出还是单端输出。死区时间控制用来防止两个输出晶体管的同台交叠。如果死区时间控制接地，死区时间占总周期的3-5%。可以用外接电阻的电容来改善误差放大器的频响。这些外接元件通常接在补偿端和误差放放大器的反相输入端之间。2.2.2、PWM控制电路引脚12，11,8,接到24V直流电源，反馈电压接在误差放大器1的同相输入端，其反相输入端引脚2通过4.7K的电阻与TL494内部基准电源的输出端引脚14相连接。在反馈引脚3与引脚2之间介入RC反馈网络，构成高频增益及抑制高频寄生振荡。死区时间控制引脚4通过10K电阻接地，并且与引脚14之间通过10电容相连，电阻和电容构成软启动电路。当系统上电时，由于电容的两端电压不能突变，所以引脚14输出的5V基准电压全部加在软启动电阻上，使死区控制引脚4处于高电平，死区时间比较器的输出为高电平，输出极截止，变换器不工作，两个Tip32管截止，开关电源无输出。随着软启动电容逐渐充电，电容两端的电压逐渐升高，软启动电阻两端的电压逐渐降低，输出晶体管逐渐开通，两个Tip321管逐渐开始工作。在变换器正常工作过程中，软启动电阻两端的电压近似为零。误差放大器2的同相输入端引脚15通过1K电阻与boost输出电路的接地端连接在一起，反相输入端接地，用于抑制boost输出端电流过大。9,10引脚通R7和R10接地，其中在R7和R10之间引出控制线，作为PWM信号。2.3、驱动电路驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路一方面将控制信号放大，另一方面提供电气隔离，保护控制电路。本驱动电路是基于IR2110功率驱动集成芯片设计的。2.3.1、功率驱动集成芯片IR2110IR2ll0 采用CMOS 工艺制作，逻辑电源电压范围为5 V 20 V，适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地（USS）与功率电路参考地（COM）之间有- 5 V和+ 5 V 的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。引脚l 和7 是两路独立的输出，分别是LO（ 低端输出）和HO（高端输出），引脚3 和6 分别是VCC（低端电源电压）和VB（ 高端浮置电源电压），引脚9（VDD）是逻辑电路电源电压，引脚2（COM）是低端电源公共端，引脚5 和l3 分别是VS（高端浮置电源公共端）和VSS（逻辑电路接地端），引脚l0（HIN）是逻辑输入控制端，引脚ll（ SD）是输入关闭端，引脚l2（LIN）是低端逻辑输入。IR2ll0 浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500 V，工作频率可达到500 kHz。两路通道均带有滞后欠压锁定功能。2.3.2、基于IR2110的驱动电路本驱动电路如下图所示，IR2110的9号引脚与TL494的14号引脚相连，向IR2110提供稳定5V电平，12号引脚和PWM控制电路的输出控制信号相连，为IR2110低端电压输出提供控制信号，15V电源通过滤波电容接地，同时和低端电源电压引脚3相连。L0位低端电压输出端，和电力MOS管相连，提供开关信号。2.4、boost升压斩波电路2.4.1、boost升压斩波电路图本电路选用IF640N电力MOS管作为开关器件，电路为：其中IF640N的门极与驱动电路的1号引脚相连，R9左端引脚和TL494的误差放大器2的反相输入端相连，R1和R2引脚之间的引脚和TL494的同相输入端相连。2.4.2、boost斩波电路原理分析2.4.2.1、基于实际电路的分析假设一个周期内电力MOS管的导通时间为，关短时间为，输入端为理想电压源，电压为，假设电路开始工作时，MOS管进入关断状态。取为此阶段电阻R支路的电流， 为电容C支路的电流，流经电感的电流为，电阻R的端电压为，则有：联立以上各式的为：解得：到电力MOS管开通时，电容C的端电压为，电感电流为： 当MOS管处于导通状态时，电容对负载供电，电感与电源短接电流迅速增大：对于电容侧有：解得： 对于电感侧，取为电感回路的总电阻则有：则当经过时间后电容和电感的分别为，当电力MOS管第二次处于关断时其输出电压和电感电流为：根据以上推导可知根据，可得，的表达式，通过分析易知当时boost斩波电路输出电压的波形已经趋紧稳定。通过对一个周期内对输出电压的积分可得 由，故 2.4.2.2、对于电路的粗略估算假设电路经过过渡期进入稳定状态，电感足够大使的电感电流波动很小，输入端电压为，输出端电压为，则在一个工作周期内，电感存储的能量等于释放的能量。电力MOS管导通时，电感存储的能量为：，电力MMOS关断时电感释放的能量为：，根据以上分析有：解得由可得2.4.2.3、开关频率和占空比对电路的影响在电感电容和输入电压确定之后，boost斩波电路的输出电压主要取决于占空比，但随着占空比的提高，电力MOS管的导通时间相对延长，使得电感电流增大，电感的发热量增大，因此在开关频率一定的的情况下，占空比大大小受到电感的限制而不能设置的很大，如下图所示：工作频率500Hz 占空比50% 电感电流峰值181.541mA工作频率500Hz 占空比64% 电感电流峰值481.573mA工作频率500Hz 占空比80% 电感电流峰值1.188A从以上三个对比试验可以看出单独增大占空比，会使电感电流的基础电流和峰值电流都提高。通过调节开关频率可以获得较高的占空比，同时使电感电流不至于过大，如下图所示：通过观察两组对比试验易知：在同一占空比下，开关频率越高电感的峰值电流和基础电流越小；在同一型号的电感下，开关频率越高电路的占空比可以调的更大，能够获得更高的输出电压。工作频率500Hz 占空比80% 电感电流峰值1.188A工作频率100Hz 占空比80% 电感电流峰值1.829A三、总电路图及其调试本电路升压斩波电路的总的电路图如下所示：现对本电路的一些调试问题进行分析：1）本斩波电路的开关频率由TL494的5,6号引脚连接的电感电容决定，频率为：，通过调节的阻值可以调节电力MOS管的开关频率。2）本电路通过反馈来调节占空比，电压反馈从和的中点引出，电路开始工作时，占空比由于软开关电路的影响渐渐变大，直到输出电压达到目标为止。通过调节阻值的大小，可以调节boost电路的占空比，进而调节输出电压。3）IR2110的输入电压有整流电路通过和分压后引入，到驱动电路输出不能满足要求时，通过调节来调节输入电压。12134）TL494的输出信号经和分压后接到IR2110的低端电压输入端，当驱动电路输入信号不满足要求时，调节电阻。四、参考文献1陈纯锴