(完整word版)升压斩波电路设计..

1、电力电子技术课程设计报告题 目：升压斩波电路设计学 院:专 业:学 号:姓 名:指导教师：完成日期:升压斩波电路设计(一)设计任务书题目六 升压斩波电路(BoostChopper)设计L通过对Boost Chopper电路的设计,掌握Boost Chopper电路 的工作原理，综合运用所学知识，进行BoostChoppe电路和系统设 计的能力.2 .了解与熟悉Boost Chopper电路拓扑，控制方法。3 .理解和掌握Boost Chopper电路及系统的主电路，控制电路和 保护电路的设计方法，掌握器件的选择计算方法。4o具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力.设计内容及要求对boos

2、t chopper电路的主电路和控制电路进行设计.该题日分两组参 数，每组参数如下：第一组:直流电压E=50%负载R=20QL,C值极大,Em=30V.第二组:直流电压E=200V,负载R=20QLC值极大.i设计要求：1，理论设计:了解掌握Boost Chopper电路的工作原理,设计Boost Chopper电路的主也路和控制电路.包括：IGBT电流,电压额定的选择驱动，保护电路的设计画出完整的主电路所用元器件的明细表2.仿真实验:利用MATLAB仿真软件对Boost Chopper电路主电路和 控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验3一实际制作；利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用

3、元器件管 脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB卬制电路板, 最后完成系统电路的组装，调试。35设计说明书一matlab仿真原理1 升压斩波电路工作原理1.1 主电路工作原理1.2 IGBT 驱动电路选择2 仿真实验2.1 仿真模型2.2 仿真实验结果及分析2.3 仿真实验结论2.4 最优参数选择二 硬件实验2.1 硬件电路2.1.1 整流电路2.1.2 斩波信号产生电路2.1.3 斩波电路2.1.4 总原理图2.1.5 元器件列表2.2 PCB 印刷电路板2.3 制造输出 final三 课程设计总结 参考文献摘要本设计是基于 SG3525芯片为核心控制的PWM#压斩波电路(Boo

4、stchopper) . 设计由 Matlab 仿真和 Protel 两大部分构成。 Matlab 主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到PWM空制输出电压的曲线图。通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，最 后进行了 GUI 编程，利用图形可视化界面的直观易懂的特点，使设计摒弃 了繁琐难懂的单一波形和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可 进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是电路板，它可以通过 BluePrint 、 Kicad 、 Protel 等软件设计完成，其中 Protel 原理图设计系 统以其分层次的设计环境，强大的元件及元件库的组织功能，

5、方便易用的 连线工具，强大的编辑功能设计检验，与印制电路板设计系统的紧密连接， 自定义原理图模板高质量的输出等等优点，和丰富的设计法则，易用的编 辑环境，轻松的交互性手动布线，简便的封装形式的编辑及组织，高智能 的基于形状的自定布线功能，万无一失的设计检验等印制电路板设计系统的优点，使其在我们学生选用 PCB 电路板设计软件中占了绝大部分比重。本设计也采用Protel设计原理图，和进行PC琳布线。它是本设计从理论 到实际制作的必进途径，通过设定相应的规则，足以满足设计所要求的规 定。关键字 升压斩波 ; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel直流斩波电路作为将直流电变成另一种

6、固定电压或可调电压的DC-DC变换器，在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路.直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能 的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题：(1)系统损耗的问；(2)栅极电阻；(3)驱动电路实现过流过压保护的问题。一 matlab 仿真原理1 .升压斩波工作原理1.1

7、 主电路工作原理假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1 ,同时C的电压向负载供电，因 C值很大，输出电压 uo为恒值，记为5。设V通的时间为ton ,此阶段L上积蓄的能量为 EI 1t onV断时，E和L共同向C充电并向负载 R供电。设V断的时间为toff,则此期间电感L释放能量Uo - E 11toff稳态时，一个周期 T中L积蓄能量与释放能量相等(1-1)化简得： EItn : Uo - E Eff(1-2)tontoffTU o =E 二Eo ttI offoffT/toff -1,输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为 boost chooper变换器。T/

8、媪一升压比，调节其即可改变uo。将升压比的倒数记作t offT和导通(1-3)(1-4)占空比，有如下关系：- - 1因此，式(1-2 )可表示为=1E升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因： L 储能之后具有使电压泵升的作用 电容 C 可将输出电压保持住1. 2 IGBT 驱动电路选择IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压ugs、负偏压-UGS和门极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt 电流等参数有不同程度的影响。 其中门极正电压 uGS 的变化对 IGBT 的开通特性， 负载短路能力和duGS/dt 电流有较

9、大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt 电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT 驱动电路提出以下要求和条件：(1) 由于是容性输出输出阻抗；因此 IBGT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压 uGS 有足够陡峭的前、后沿，使IGBT 的开关损耗尽量小。另外， IGBT 开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT 不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V;负偏压应为-2V-10V。(4)IGB

10、T 驱动电路中的电阻RG 对工作性能有较大的影响， RG 较大， 有利于抑制 IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗； RG 较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧几十欧，小容量的 IGBT 其 RG 值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对 IGBT 的自保护功能。 IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的GE极之间不能为开路。IGBT 驱动电路分类驱动电路分为： 分立插脚式元件的驱动电路； 光耦驱动电路；

11、 厚膜驱动电路； 专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。IGBT 驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， IGBT 驱动信号由处理器集成的 PWM 模块产生的。 而 PWM 接口驱动能力及其与IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。 因此本文采用 SG3525 设计出了一种可靠的 IGBT 驱动方案。2. matlab仿真实验物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、 改变参数难、模型

12、难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问 题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准 备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用Matlab自带的动态仿真集成环境-Simulink 进行仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软 件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界 面（GUI）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。2.1 仿真模型Mdl文件是simulinkg 仿真工具箱仿真所

13、设计的文件。它具有功能强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。该设计的仿真模型如图 1所示：Current MeasurementlCui BntMsasursm 讯2 Diode才-DC Voltage SourcecurrentScopeJUlPulseGenerator如印vc（a髀图1 simulink仿真模型图simulink 仿真模型图中 DCvoltage source 是电压源，提供 50V点直流电压。L为电感。Diode 为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动。C为电容。IGBT为斩波器件，R为负载。CurrentMeasurement用来测量流

14、经 L的电流。Current Measurement2用来测量负载电流。CurrentMeasurement?用来测量流经电容 C的电流。current 为流经IGBT的电流，IGBT voltage 为IGBT两段的电压。Scope为示波器。Pulse Generator为PW咻冲发生器，调节其占空比就可以控制输出 电压的大小。2.2 仿真实验结果及分析 周期设为1KHz,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100c时进行仿真，仿真 结果如下：图2-0-1 负载电压98.2V由图2-0-1中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即Vout1 一二Vin

15、1 一 50%*50100 (V)满足理论计算公式(1-4 ),由仿真结果知，原理图设计是对的。负载不变为100c ,频率1KHz,占空比从5%i|J 95%H等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。占空比5%图2-1-2流经电感L的电流值为0.518A从图2-1-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V,基本上符合理论计算:1-5%*50 = 52.6 （V）1Vout =Vin1 一二占空比15%图2-2-1 负载电压57.4V图2-2-2流经电感L的电流值为0.57A从图2-2-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V,基本上符合理论计算:11.八乂a=Vin =*50

16、 = 58.8 1 - -1-15%占空比25%图2-3-1负载电压65.5V从图2-3-1负载电压可以看出负载电压约为65.5V,基本上符合理论计算:11Vout =Vin =*50 = 66.6(V)1 - ：1 - 25%图2-4-2流经电感L的电流值为0.75A从图2-4-1负载电压可以看出负载电压约为75.6V,基本上符合理论计算:11VoutVin*50 = 76.9(V)1 -11 - 35%从图2-5-1负载电压可以看出负载电压约为89.3V,基本上符合理论计算:11Vout =Vin =*50 = 91(V)1 - ：1 - 45%从图2-6-1负载电压可以看出负载电压约为1

17、09.1V,基本上符合理论计算:utVin1 -55%*50 =111(V)从图2-7-1负载电压可以看出负载电压约为140.2V,基本上符合理论计算:11Vout =Vin*50 = 142.5(V)1 - ：1 - 65%从图2-8-1负载电压可以看出负载电压约为196.2V,基本上符合理论计算:1Vout =Vin1 - ：1*50 =200（V）1 - 75%图2-9-2 流经电感L的电流值为3.25A从图2-9-1负载电压可以看出负载电压约为325V,基本上符合理论计算:11Vout =Vin =*50 = 333 (V)1 -11 - 85%占空比为95%图2-10-1 负载电压9

18、42V图2-10-2 流经电感L的电流值为9.42A从图2-10-1负载电压可以看出负载电压约为942V,基本上符合理论计算：11Vout =Vin = *50 = 1000 (V)1 -11 - 95%2.3仿真实验结论由图(图2-0),在占空比为 50%寸，输出电压可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即Vout 二满足理论计算公式1 一二in*50 = 1001 - 50%(1-5 )(1-4),由仿真结果知，该原理图设计是对的。2.4最优参数选择图3-1电流连续图3-2电流断续当IGBT处于通态时，设电动机电枢电流为ilL dh出Ri 1Em式中，R为电动机电枢回路电阻与

19、线路电阻之和。设ii的初值为Iio,解上式得:ilI io eEm当IGBT处于断态时,设电动机电枢电流为i 2L y Ri 2 = E m - E dt设i2的初值为 20,解上式得：I 20Em(1当电流连续时，从图3-2 的电流波形可看出,on时刻 i 1 = I 20，t = T时刻i 2 = I10 ,由此可得:tonI 20I 10I 10故由上两式求得:I 10I 20Emt o ffton-io)I 20 eEmEmtofftoff1-e-： E-ii )mp1-e，-12 )ton13 )把上面两式用泰勒级数线性近似，得I 10I 20(m14该式表不了L为无穷大时电枢电流的

20、平均值I。，即Io15当电流断续时的波形如图3-2所示。当t=0时刻i1= I10=0,令式(1-10)中I10 =0 即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当t =t2时,i2 =0,可求得i2持续的时间tx ,t ontx.1 - mel n当tx'：toff时，电路为电流断续工作状态,tx( t 0ff是电流断续的条件，即e-;?根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。(升压斩波工作原理引用自书籍王兆安、刘进军，电力电子技术第五版)二、硬件实验2.1 硬件电路2.1.1 整流电路本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.对整流出来的

21、电压进行傅里叶变-2444换彳导vout = 收vn 一一cos20t cos40t 60t. I,由整流电路出来的电压含有较大的纹二 3二15二35二波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。Protel原理图如下图4所示：图4 protel原理图输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器 T1 （原线圈/副线圈为4/1 ）后输出55V、50Hz。当 同名端为正时 D2、D5导通，D3 D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3 D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流

22、。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串 联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个 大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想 的直流电压（幅值为 50V左右）。2.1.2 斩波信号产生电路此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM言号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLG可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM勺专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PW瞰，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PW瞰的占空比，故在IN+端

23、接个可调电阻就能实现PWg制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWMB过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图5所示:图5驱动电路仿真图工作原理：通过 R2、R3 C3结合SG3525产生锯齿波输入到 SG3525的振荡器。其产生的PWMt号由OUTA OUTBID,调节R7可以改变占空比。输出的 PWMt号通过二极管D& D7送至光电耦合器 3，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容

24、量的PWMH1波电路。2.1.3 斩波电路本设计为直流升压斩波(boost chopper)电路，该电路是本系统的核心。应为输出电压比较大，故斩波IGBT管。原理图如下图 6所示:器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率左边接经整流之后的 50V电压。右边为斩波电压输出，J2为测试点。V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。Q1为IGBT, D1为电力二极管，L2为电感，C1为电容，R1为负载。原理分析：首先假设电感L值很大，电容 C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，50V电源向L2充电，充电基本恒定为 Ii,同时电容C上的电压向负载 R供电，因C值很大，基本

25、保持输出电压Uo为恒值，记为U。设V处于通态的时间为ton,此阶段电感L上积储的能量为 Eliton。当V处电感L释放的能量为（U于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为tof ,则在此期间0-E）Itoff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即EIh= (U0 - E)I1t.ff(2-1 )化简得U 0=tontofftfE = Etoff(2-2)上式中的T / toff之1 ,输出电压高于电源电压。式（2-1 ）中T /toff为升压比，调节其大小即可改变输出电压Uo的大小。2.1.4 总原理图图形如下图7所示。其中J1为

26、市电插口， P1接15V驱动,P2为驱动IGBT的PWMt号T1为变压 器,将220 V市电转换成频率不变的55V交流电(题目要求整理输出50V,由于元器的阻抗会分压，故把输入电压提高 5 V,此时变压器变比为 T1: T2=4:1 )。变压器变压后输入到由D2、D3、D4 D5四个整流二极管组成的整流电路输入端。经整流后电压含有较大的纹波，故通过 L1、C2组成的LC低通滤波器进行滤波。滤波后输出的电压就比较平滑了。接下来就是由电感L2、斩波器件IGBT Q1,电力二极管 D1、电容C1组成的升压斩波电路(Boost Chopper ).改变驱动信号 PWM勺占空比就可 以调节输出到负载 R

27、1两端电压，J2是负载两端的电压测试点，接至示波器就可以看到输出电压。2.1.5 元器件列表图7总原理图本系统除了 PWMI号产生电路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具体见下表 1 （元器件 清单）： 表1元器件清单CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityCap PollPolarized Capacitor (Radial)C1, C2, C4RB7.6-15Cap Pol13CapCapacitorC3RAD-0.3Cap1Diode 1N54073 Amp Medium Power Silicon RectifierDi

28、odeD1, D2, D3, D4, D5DIO18.84-9.6x5.6 DiDde 1N54075Diode 1N4148High Conductance Fast DiodeD6, D7DIO7.1-3.9x1.9Diode 1N41482'lug AC FemaleEC Mains Power Outlet, EN60320-2-2二 Class I,PC Flange Rear Mount,ChassisSocketJ1IEC7-2H3Plug AC Female1SocketSocketJ2PIN1Socket1nductor IronMagnetic-Core Induc

29、torL1, L2AXIAL-0.9Inductor Iron2Header 2Header, 2-PinP1, P2, P3HDR1X2Header 23RF1S40N1040A, 100V, 0.04 Ohm, N-ChannelPowerMOSFETQ1TO-262AARF1S40N101D44H8NPN Power AmplifierQ2TO-220D44H81D45H8PNP Power AmplifierQ3TO-220D45H81Res2ResistorR1, R2, R3, R4, R5,R6AXIAL-0.4Res2610kPotentiometerR7VR5RPot1Tra

30、ns EqTransformer (Equivalent Circuit Model)T1TRF_4Trans Eq1SG3525ANRegulating Pulse Width ModulatorU1DIP16SG3525AN1Optoisolatorl4-Pin Phototransistor OptocouplerU2DIP-4Optoisolator112.2 PCB印刷电路板PCB （Printed Circuit Board ）,中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之 一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只 要有集成

31、电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研 究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质 量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。现在常用的PCB板主要有单面板和双面板，单面板没有双面板好布线，但是在实验室容易制作而且成本也要低，适合低密度的电路。本设计采用单面板，节约了一定得经费，手工布线，考虑散 热，和抗电磁干扰，本设计增加了相应的规则，同时覆了铜，从而有效的优化了布线，提高了散热 性能，和增强了抗电磁干扰。整块板子性能得到了很大的改善。足以满足题目要求PC眼见下图8-1 （二维）、8-2 （三

32、维正面）、8-3 （三维反面）所示：表1-1liuferiqt 24 J 口 t m m，图8-1印刷电路板2维视图JI图8-2印刷电路板3维视图正面图8-3印刷电路板3维视图反面2.3 制造输出一一final下面的文件可以直接拿到工厂里去生产，或者自己在实验室里做:1之4叫。口 Em)a图9导线和覆铜的布置图37lUu <04,=3I 工E3 JrQft124. 4C Cmn>图10元器件标识符图一一io mCFSEchczw,arK图11 过孔图图9为导线和覆铜，如果在实验室做的话就直接打印到菲林纸上，然后热转印到铜板上，最后腐蚀一下就可以得到板子上的导线和覆铜。图10为元器件

33、标识符，一般只有在工厂里才能打印到板子上。图11为过孔。三课程设计总结电力电子技术的应用范围十分的广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、 通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。1、一般工业。工业中大量应用各种交直流电动机。2、交通运输。电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电动汽车的电动机依靠电力电子装置进 行电力电子变换和驱动。3、电力系统。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要 电力电子技术。4、电子装置用电源。各种信息技术装置都需要电力电子技术提供电源。如今，我们所使用到能源中电能占了很大的比重。电源具有成本低廉，输送方便，绿色环保， 控制方便能很容易转换成其他的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会， 合理的利用电能，提高电能品质和用