升壓降壓升降壓斬波電路課程設計

1、題目：MOSFET升降壓斬波電路設計一 課程設計的目的1. 電力電子技術的課程設計是電力電子技術課程的一個重要的實踐教學環(huán)節(jié)。它與理論教學和實踐教學相配合，可使我們在理論聯(lián)系實際，綜合分析，理論計算，歸納整理和實驗研究方面得到綜合訓練和提高，從而培養(yǎng)學生獨立解決實際問題的能力。2. 加深理解電力電子技術的課程內(nèi)容，建立正確的設計思想，熟悉工程設計的順序和方法，提高正確使用技術資料，標準，手冊等的獨立工作能力。3. 為后續(xù)課程的學習打下堅實的基礎。二設計的技術數(shù)據(jù)及要求1、交流電源：單相220V；2、前級整流輸出輸電壓： Ud=50V80V；3、輸出功率：300W；4、開關頻率5KHz；5、占空

2、比10%90%；6、輸出電壓脈率：小于10%。三、設計內(nèi)容及要求 一方案的論證及方案的選擇；1. 方案一：升降壓斬波電路圖原理圖：升降壓斬波電路的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓值，這種電源具有一個相對于輸入電壓公共端為負極性的輸出電壓。升降壓電路可以靈活的改變電壓的高低，還可以改變電壓的極性，因此常用于電池供電設備中產(chǎn)生負電源的設備和各種開關穩(wěn)壓器。其原理圖即為降壓與升壓斬波電路串聯(lián)而成的。一MOSFET降壓斬波電路圖如下：圖中L、R為負載電機的等效電路，負載電壓的平均值為，因此稱為降壓斬波電路。若負載中L值較少，或ton較小，或E較小，則在可控器件V關斷后，到了t2時刻，負載電流已

3、衰減至零會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。下圖中表明了電流連續(xù)和斷續(xù)時的波形情況。二MOSFET降壓斬波電路圖如下：通升壓三將升壓斬波和降壓斬波電路串聯(lián)接成升降壓斬波電路電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路及以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電路電子器件的導通或者關斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。根據(jù)MOSFET升降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、驅(qū)動控制電路。其結(jié)構框圖如下（1） 整流電路設計整流電壓平均值為：向負載輸出的直流電流平均值為：流過晶閘管的電流平均值為：題目中要求前級整流輸

4、出電壓限制在50V100V之間，輸入電壓U1為220V，則輸入電壓U2最大為 ，變壓器匝數(shù)比N1:N2= 整流電路波形圖（2） 控制驅(qū)動電路的設計SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動功能；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。其特點如下： （1）工作電壓范圍寬：835V。 （2）5.1（11.0%）V微調(diào)基準電源。（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz. （4）具有振蕩器外部同步功能。（5）死區(qū)時間可調(diào)。（6）內(nèi)置軟啟動電路

5、。 （7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。 （9）逐個脈沖關斷。 （10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：mA(峰值)。 SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525內(nèi)部結(jié)構如圖2.5所示，直流電源 Vs 從腳 15 接入后分兩路，一路加到或非門

6、；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳 5 須外接電容 CT，腳 6須外接電阻 RT。振蕩器頻率由外接電阻RT 和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。其他引腳分別為：引腳1為反相輸入，2為同相輸入引腳，3為同步端引腳，4為振蕩器輸出引腳，7為放電端引腳，8為軟啟動端引腳，9為補償引腳，10為閉鎖控制

7、引腳，引腳12接地。 內(nèi)部結(jié)構如下：在升降壓斬波電路中，三極管V的基極接驅(qū)動電路的V-G，發(fā)射極E接驅(qū)動電路的V-E，結(jié)點11、12、13、14為SG3525的相應引腳。如圖（3）斬波電路有三種控制方式：1） 保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型：2） 保持導通時間不變，改變開關周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3） 導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有很多。這里我使用的是IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如下。G3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IG

8、BT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制電路和主電路進行電氣隔離 （3） 升降壓斬波電路（1） 工作原理當可控開關V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量，此時電流為，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此后，使V關斷，電感L中儲存的能量向負載釋放，電流為，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，與降壓斬波電路和升壓斬波電路的情況正好相反，因此該電路也稱為反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓UL對時間的積分為零，即當V處于通態(tài)期間，UL=E；而當V處于斷態(tài)期間，UL=-U

9、o。于是所以輸出電壓為改變占空比，輸出不但電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當012時為降壓，當121時為升壓，因此將該電路稱做升降壓斬波電路。升降壓斬波電路原理圖（2） 波形圖輸出電壓圖2.4給出了電源電路i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1、I2，當電流脈動足夠小時，有由上式可得如果V、VD為沒有損耗的理想開關時，則有其輸出功率和輸入功率相等，可看做直流變壓器。I10ti2t輸出電流波形圖（二） 保護電路設計電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt也是必須的。抑制過電壓的方法：用非線

10、性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。保護電路如圖所示。 過電壓保護電路除此之外還有其他的保護裝置，如下：一、防止陽極電壓上升率過高保護在保護電路中串聯(lián)接入適當?shù)碾姼屑纯善鸬椒乐龟枠O電壓上升率過高的保護。二、晶閘管的過電壓保護晶

11、閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護。三、晶閘管的過電流保護常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關過電流保護?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關時間長（只有在短路電流不大時才有用）直流快速開關過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔斷器保

12、護?？焖偃蹟嗥?）前級整流電路負載平均電壓升高，紋波減小，且C越大，電容放電速率越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為得到平滑的負載電壓，一般取=C(35)式中T為電源交流電壓的周期。電容濾波電路的負載電壓與的關系約為。令整流后輸出電壓為50V，則整流前輸入電壓=/1.2=50/1.2=41.7V因為電源為交流單項220V，變壓器變比需滿足：=220:41.7=4:1此時前級整流輸出電壓E為50V。并且為滿足輸出電流最大2A，整流電路中每個二極管所承受的最大電流為，=/2=1A。變壓器二次側(cè)的電流2A，由變壓器變比為4:1，流過一次側(cè)的電流為0.5A。（2）輸出直流電壓 要求輸出直流電壓在10100V可調(diào)，由輸出電壓公式可知，當為10V時，占空比=1/6；當為100V時，占空比=2/3。即控制占空比在1/62/3之間，可得輸出直流電壓在10100V可調(diào)。為使電路正常工作驅(qū)動電路中R1、R2為1K，R3為5.1K，R4為1