電力電子課程設計報告-升壓斬波電路設計

1、<p>　　電力電子技術課程設計報告</p><p>　　題 目： 升壓斬波電路設計 </p><p>　　學 院： 信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　學 號： &l

2、t;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　完成日期： 2009-10 </p><p><b>　　升壓斬波電路設計</b></p><p>　　(一)

3、 設計任務書</p><p><b>　　（二） 設計說明書</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 matlab仿真原理</p><p>　　1 升壓斬波電路工作原理……………………………………………………5</p><p>　　

4、1.1主電路工作原理…………………………………………………………5</p><p>　　1.2 IGBT驅動電路選擇…………………………………………………6</p><p>　　2 仿真實驗……………………………………………………………………7</p><p>　　2.1仿真模型……………………………………………………………7</p><p&

5、gt;　　2.2仿真實驗結果及分析……………………………………………………8</p><p>　　2.3仿真實驗結論…………………………………………………………15</p><p>　　2.4 最優(yōu)參數選擇…………………………………………………………15</p><p><b>　　二 硬件實驗</b></p><p>

6、;　　2.1 硬件電路………………………………………………………………18</p><p>　　2.1.1整流電路……………………………………………………………18</p><p>　　2.1.2斬波信號產生電路…………………………………………………18</p><p>　　2.1.3斬波電路…………………………………………………………19</p>&

7、lt;p>　　2.1.4總原理圖……………………………………………………………21</p><p>　　2.1.5元器件列表…………………………………………………………22</p><p>　　2.2 PCB印刷電路板…………………………………………………………23</p><p>　　2.3 制造輸出——final ……………………………………………………

8、…25</p><p><b>　　三 課程設計總結</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計是基于SG3525芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.設計由Matla

9、b仿真和Protel兩大部分構成。Matlab主要是理論分析，借助其強大的數學計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。通過設置參數分析輸出與電路參數和控制量的關系，最后進行了GUI編程，利用圖形可視化界面的直觀易懂的特點，使設計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，非常方便的就可進行控制參數輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，它可以通過BluePrint、kicad 、Protel等軟件設計完成，其

10、中Protel原理圖設計系統(tǒng)以其分層次的設計環(huán)境，強大的元件及元件庫的組織功能，方便易用的連線工具，強大的編輯功能設計檢驗，與印制電路板設計系統(tǒng)的緊密連接，自定義原理圖模板高質量的輸出等等優(yōu)點，和豐富的設計法則，易用的編輯環(huán)境，輕松的交互性手動布線，簡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，萬無一失的設計檢驗等印制電路板設計系統(tǒng)的優(yōu)點，使其在我們學生選用PCB電路板設計軟件中占了絕大部分比重。本設計也采用Protel設

11、計原理圖，和進</p><p>　　關鍵字 升壓斬波; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用

12、.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、復合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應用中需要注意以下問題:（1）系統(tǒng)損耗的問；</p><p>　?。?）柵極電阻；（3）

13、驅動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。</p><p>　　一 matlab仿真原理</p><p>　　1. 升壓斬波工作原理</p><p>　　1.1 主電路工作原理</p><p>　　假設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V通的時間為ton，此階

14、段L上積蓄的能量為EI1ton</p><p>　　V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　化簡得：</b>

15、;</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　，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。</p><p>　　——升壓比，調節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數記作?，即。?和導通占空比，有如下關系：</p><p><b>　?。?-3）<

16、/b></p><p>　　因此，式（1-2）可表示為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：</p><p>　?、?L儲能之后具有使電壓泵升的作用</p><p>　?、?電容C可將輸出電壓保持住</p>

17、;<p>　　1.2 IGBT驅動電路選擇 IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，

18、負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據上述分析，對IGBT驅動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對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。 (2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。

19、 (3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。 (4)IGBT 驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，R</p><p>　　IGBT驅動電路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。 IGBT驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結構和存儲器件)，數字信號處

20、理器以其優(yōu)越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數字信號處理器構成的控制系統(tǒng)， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。</p><p>　　2. matlab仿真實驗</p><p>　　物理仿真需要進行大量的設備制造、安裝、連

21、接及調試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數難、模型難以重用，且實驗數據處理也不方便。但是計算機仿真卻可以很好的解決這個問題。只要有一臺計算機就可以對不同的控制系統(tǒng)進行仿真和研究，而且進行一次仿真實驗研究的準備工作也比較簡單，主要是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計算機編程。本系統(tǒng)采用Matlab自帶的動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink進行仿真。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散、及兩者混

22、合的線性和非線性系統(tǒng)。它為用戶提供了一個圖形化得用戶界面（GUI）。它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真相比具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。</p><p><b>　　2.1 仿真模型</b></p><p>　　Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所設計的文件。它具有功能強大，而且包含了常用的大部分元器件仿真數學模型，形象易懂，便于設計。</p&

23、gt;<p>　　該設計的仿真模型如圖1所示：</p><p>　　圖1 simulink 仿真模型圖</p><p>　　simulink 仿真模型圖中DC voltage source 是電壓源，提供50V點直流電壓。L為電感。Diode為電力二極管，單項導通，阻止電流反向流動。C為電容。IGBT為斬波器件，R為負載。Current Measurement1 用來測量流

24、經L的電流。Current Measurement2用來測量負載電流。Current Measurement3用來測量流經電容C的電流。current 為流經IGBT的電流，IGBT voltage 為IGBT兩段的電壓。Scope為示波器。Pulse Generator為PWM脈沖發(fā)生器，調節(jié)其占空比就可以控制輸出電壓的大小。</p><p>　　2.2 仿真實驗結果及分析</p><p&g

25、t;　?、?周期設為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負載為100時進行仿真，仿真結果如下：</p><p>　　圖2-0-1 負載電壓98.2V</p><p>　　圖2-0-2 流經電感L的電流值為0.982A</p><p>　　由圖2-0-1中V1可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即</p>&

26、lt;p><b>　?。╒） </b></p><p>　　滿足理論計算公式（ 1-4 ），由仿真結果知，原理圖設計是對的。</p><p>　?、?負載不變?yōu)?00，頻率1KHz，占空比從5%到95%以等百分比遞增時，輸出電壓，與輸入電壓和電路參數之間的關系。</p><p><b>　?、?占空比5%</b>&

27、lt;/p><p>　　圖2-1-1 負載電壓51.8V</p><p>　　圖2-1-2 流經電感L的電流值為0.518A</p><p>　　從圖2-1-1負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p><p><b>

28、;　?、?占空比15%</b></p><p>　　圖2-2-1 負載電壓57.4V</p><p>　　圖2-2-2 流經電感L的電流值為0.57A</p><p>　　從圖2-2-1負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p>

29、;<p><b>　　④ 占空比25%</b></p><p>　　圖2-3-1負載電壓65.5V</p><p>　　圖2-3-2 流經電感L的電流值為0.65A</p><p>　　從圖2-３-1負載電壓可以看出負載電壓約為65.5V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）

30、</b></p><p><b>　?、苷伎毡?5%</b></p><p>　　圖2-4-1 負載電壓75.6V</p><p>　　圖2-4-2 流經電感L的電流值為0.75A</p><p>　　從圖2-4-1負載電壓可以看出負載電壓約為75.6V，基本上符合理論計算：</p><

31、p><b>　　（V） </b></p><p><b>　?、?占空比45%</b></p><p>　　圖2-5-1 負載電壓89.3V</p><p>　　圖2-5-2 流經電感L的電流值為0.89A</p><p>　　從圖2-5-1負載電壓可以看出負載電壓約為89.3V，基本上符合理

32、論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p><p><b>　?、?占空比55%</b></p><p>　　圖2-6-1 負載電壓109.1V</p><p>　　圖2-6-2 流經電感L的電流值為1.09A</p><p>　　從圖2-6-1負載電壓可

33、以看出負載電壓約為109.1V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒） </b></p><p><b>　　⑦ 占空比65%</b></p><p>　　圖2-7-1負載電壓140.2V</p><p>　　圖2-7-2 流經電感L的電流值為1.042A</p>

34、<p>　　從圖2-7-1負載電壓可以看出負載電壓約為140.2V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　　（V） </b></p><p><b>　?、嗾伎毡?5%</b></p><p>　　圖2-8-1 負載電壓196.2V</p><p>　　圖2-8-2 流經電感L

35、的電流值為1.962A</p><p>　　從圖2-8負載電壓可以看出負載電壓約為196.2V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p><p><b>　?、?占空比85%</b></p><p>　　圖2-9-1 負載電壓325V</p><p

36、>　　圖2-9-2 流經電感L的電流值為3.25A</p><p>　　從圖2-9-1負載電壓可以看出負載電壓約為325V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　　（V）</b></p><p><b>　?、?占空比為95%</b></p><p>　　圖2-10-1 負載電壓9

37、42V</p><p>　　圖2-10-2 流經電感L的電流值為9.42A</p><p>　　從圖2-10-1負載電壓可以看出負載電壓約為942V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p><p>　　2.3 仿真實驗結論</p><p>　　由圖（圖2-0），

38、在占空比為50%時，輸出電壓可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即</p><p>　　滿足理論計算公式 （ 1-4 ），由仿真結果知，該原理圖設計是對的。</p><p>　　2.4 最優(yōu)參數選擇</p><p>　　當IGBT處于導通時，得 ( 1 - 6 )</p><p>　　設的初

39、值為，解上式得</p><p>　　( 1 – 7 )</p><p>　　當IGBT處于關斷時，設電動機電樞電流為，得</p><p>　　( 1 – 8 )</p><p>　　設的初值為，解上式得</p><p>　　( 1 – 9 )</p><p>　　當電流連續(xù)時，從圖

40、3-2 的電流波形可看出，=時刻=，=時刻=，由此可得</p><p>　　( 1 – 10 )</p><p>　　( 1 – 11 )</p><p><b>　　故由上兩式求得：</b></p><p>　　( 1 – 12 )</p><p>　　( 1 – 13 )<

41、;/p><p>　　把上面兩式用泰勒級數線性近似，得</p><p>　　( 1 – 14 )</p><p>　　該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值，即</p><p>　　( 1 – 15 )</p><p>　　當電流斷續(xù)時的波形如圖 1-10 所示。當=0時刻 ==0，令式 （1-10）中=0即可求出，

42、進而可寫出的表達式。另外，當=時，=0，可求得持續(xù)的時間，即</p><p>　　( 1 – 16 )</p><p>　　當時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，是電流斷續(xù)的條件，即</p><p>　　( 1 – 17 )</p><p>　　根據上式可對電路的工作狀態(tài)做出判斷。該式也是最優(yōu)參數選擇的依據。</p><p

43、><b>　　二、硬件實驗</b></p><p><b>　　2.1 硬件電路</b></p><p>　　2.1.1 整流電路</p><p>　　本設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 對整流出來的電壓進行傅里葉變換得，由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電

44、路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel原理圖如下圖4所示：</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3、D4截止，電壓上正下負。當同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導通，電壓同樣是上正下負，從而實現(xiàn)整流。電感具有電流不能突

45、變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。</p><p>　　2.1.2 斬波信號產生電路</p><p>　　此電路主要用來驅動IGBT斬波。產生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產生PW

46、M的專用芯片、單片機、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。</p><p>　　為了減少不同電源之間的相互干擾，

47、SG3525輸出的PWM經過光電耦合之后才送至驅動電路。其電路圖如下圖 5所示：</p><p>　　工作原理：通過R2、R3、C3結合SG3525產生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。</p><p>　　其產生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過驅動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅動I

48、GBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p>　　2.1.3 斬波電路</p><p>　　本設計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導通內阻小，開關頻率高，開關時間小的大功率IGBT管。原理圖如下圖6所示：</p><p>

49、　　左邊接經整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。Q1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負載。</p><p>　　原理分析：首先假設電感L值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，Q1導通，50V電源向L2充電，充電基本恒定為,同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態(tài)的時間為，此

50、階段電感L上積儲的能量為。當V處于段態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于段態(tài)的時間為，則在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積儲的能量于釋放的能量相等，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　化簡得 </p><p><b>

51、　?。?-2）</b></p><p>　　上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（2-1）中為升壓比，調節(jié)其大小即可改變輸出電壓的大小。</p><p>　　2.1.4 總原理圖</p><p>　　圖形如下圖7所示。其中J1為市電插口，P1接15V驅動,P2為驅動IGBT的PWM信號T1為變壓器，將220 V市電轉換成頻率不變的55V交流電（題目要求整

52、理輸出50V，由于元器的阻抗會分壓，故把輸入電壓提高5 V，此時變壓器變比為T1：T2=4:1）。變壓器變壓后輸入到由D2、D3、D4、D5四個整流二極管組成的整流電路輸入端 。經整流后電壓含有較大的紋波，故通過L1、C2組成的LC低通濾波器進行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下來就是由電感L2、斬波器件IGBT Q1，電力二極管D1、電容C1組成的升壓斬波電路（Boost Chopper）.改變驅動信號PWM的占空比就可以調節(jié)輸

53、出到負載R1兩端電壓，J2是負載兩端的電壓測試點，接至示波器就可以看到輸出電壓。</p><p>　　2.1.5 元器件列表</p><p>　　本系統(tǒng)除了PWM信號產生電路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具體見下表 1（元器件清單）：</p><p><b>　　表1 元器件清單</b></p><p>　　2

54、.2 PCB印刷電路板</p><p>　　PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制線路板，簡稱印制板，是電子工業(yè)的重要部件之一。幾乎每種電子設備，小到電子手表、計算器，大到計算機，通訊電子設備，軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，為了它們之間的電氣互連，都要使用印制板。在較大型的電子產品研究過程中，最基本的成功因素是該產品的印制板的設計、文件編制和制造。印制板的設計和制造質量

55、直接影響到整個產品的質量和成本，甚至導致商業(yè)競爭的成敗。</p><p>　　現(xiàn)在常用的PCB板主要有單面板和雙面板，單面板沒有雙面板好布線，但是在實驗室容易制作,而且成本也要低，適合低密度的電路。本設計采用單面板，節(jié)約了一定得經費，手工布線，考慮散熱，和抗電磁干擾，本設計增加了相應的規(guī)則，同時覆了銅，從而有效的優(yōu)化了布線，提高了散熱性能，和增強了抗電磁干擾。整塊板子性能得到了很大的改善。足以滿足題目要求<

56、/p><p>　　PCB板見下圖8-1（二維）、8-2（三維正面）、8-3（三維反面）所示：</p><p>　　2.3 制造輸出——final</p><p>　　下面的文件可以直接拿到工廠里去生產，或者自己在實驗室里做：</p><p>　　圖9為導線和覆銅，如果在實驗室做的話就直接打印到菲林紙上，然后熱轉印到銅板上，最后腐蝕一下就可以得到

57、板子上的導線和覆銅。圖10為元器件標識符，一般只有在工廠里才能打印到板子上。圖11為過孔。</p><p><b>　　三 課程設計總結</b></p><p>　　現(xiàn)在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉換成其他的信號等等。我們的日常生活已經離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質和用電效率

58、成為了全球研究的當務之急。而《電力電子技術》正是與這一主題相關聯(lián)的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開關電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實現(xiàn)計算機控制。</p><p>　　在做課程設計的這段時間里，通過不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解。并且在matlab中仿真實現(xiàn)了，最后在protel中繪制了原理圖和PCB板。</p><p>　　在做課程設計過程

59、中，我對matlab在仿真中的應用有了進一步的了解和掌握。Matlab在電力電子方面的仿真應用時，可以將電力電子電路輸出效果圖形化，形象直觀，可以幫助我們對電路的理解。</p><p>　　在制作PCB板的過程中，我對protel的各種功能有了一定的了解，也讓我明白了理論和實際有很大差別。</p><p>　　經過這次課程設計，我認識到自己還有很多東西需要進一步加強學習，而且要把理論聯(lián)系實

60、踐來學習，不僅要懂理論知識，還要懂如何作出實物。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。郏保萃跽装?黃俊.電力電子技術(第四版).北京: 機械工業(yè)出版社,2000</p><p>　　［２］康華光,陳大欽.電子技術基礎(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998</p><p>　?。郏常?/p>