boost斬波電路_升壓斬波電路_電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告書

1、下載可編輯電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱 ：直流斬波電路的性能研究學(xué)院：電氣學(xué)院專業(yè)班級 ：自動化 10 班姓名：吳學(xué)號：31100800張31100800馮31100800.專業(yè) .整理 .下載可編輯2013 年1月目錄摘要 .- 1 -1BOOST 斬波電路工作原理 .- 2 -1.1主電路工作原理 .- 2 -1.2控制電路選擇 .- 2 -2硬件調(diào)試 .- 4 -2.1電源電路設(shè)計 .- 4-2.2升壓 （ boost ）斬波電路主電路設(shè)計 .- 5-2.3控制電路設(shè)計 .- 7-2.4驅(qū)動電路設(shè)計 .-14-2.5保護(hù)電路設(shè)計 .-14-2.5.1過壓保護(hù)電路 .-14-2.5.

2、2過流保護(hù)電路 .-17-2.6直流升壓斬波電路總電路 .-17-3 總結(jié) .- 19-.專業(yè) .整理 .下載可編輯4 參考文獻(xiàn).-20-.專業(yè) .整理 .下載可編輯摘要直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流 - 直流變換器 （DC/DC Converter ），直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況 ，不包括直流 - 交流 -直流的情況 ；直流斬波電路的種類很多 ：降壓斬波電路 ，升壓斬波電路 ，這兩種是最基本電路 。另外還有升降壓斬波電路 ，Cuk 斬波電路 ，Sepic 斬波電路 ，Zeta 斬波電路 。 斬波器的工作方式有 ：脈寬調(diào)制方式（Ts 不

3、變，改變 ton ）和頻率調(diào)制方式 （ ton 不變，改變 Ts）。本設(shè)計是基于 SG3525 芯片為核心控制的脈寬調(diào)制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設(shè)計分為 Multisim仿真和 Protel 兩大部分構(gòu)成 。Multisim主要是仿真分析，借助其強(qiáng)大的仿真功能可以很直觀的看到PWM 控制輸出電壓的曲線圖 ，通過設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結(jié)果。第二部分是硬件電路設(shè)計，它通過軟件設(shè)計完成。關(guān)鍵字 ：直流斬波 ；PWM ； SG3525.專業(yè) .整理 .下載可編輯1 BOOST 斬波電路工作原理1.1 主電路工作原理本實驗主電路

4、是直流升壓斬波電路即boost 斬波電路 。直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其理圖如圖 1-1 所示 。在電路中 V導(dǎo)通時，電流由 E經(jīng)升壓電感 L 和 V 形成回路，電感 L儲能；當(dāng) V 關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的圖 1-1直流升壓斬波電路原理反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷 V 導(dǎo)通是，電容的放電回路 。調(diào)節(jié)開關(guān)器件 V 的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。 負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為 :t ontoffTE（1-1 ）U oEt offtoff式中 T 為 V 開關(guān)周期 ,ton 為導(dǎo)通時間 ， tott 為關(guān)斷時間

5、。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓 ，關(guān)鍵有兩個原因 :一是 L 儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容 C 可將輸出電壓保持住 。 在以上分析中 ，認(rèn)為 V 處于通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電壓 Uo 不變，但實際上 C 值不可能為無窮大 ，在此階段其向負(fù)載放電 ，U。 必然會有所下降 ，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容 C 值足夠大時 ，誤差很小 ，基本可以忽略 。1.2 控制電路選擇控制電路選用 SG3525 產(chǎn)生脈沖 ，再利用 TLP250 作為驅(qū)動 ，最終利用 MOSFET 管來實現(xiàn)對主電路的控制 ，最終電路如圖 1-2 、圖 1-3 所示 。.專業(yè)

6、.整理 .下載可編輯圖 1-2 SG3525 脈沖產(chǎn)生電路2圖 1-3 TLP250 脈沖驅(qū)動電路.專業(yè) .整理 .下載可編輯2 硬件調(diào)試2.1 電源電路設(shè)計本課設(shè)采用的是電容濾波的單相橋式不可控整流電路，常用于小功率單相交流輸入的場合 ，如目前大量普及的微機(jī) 、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中 。 其工作原理圖如下 ：圖 2-1a電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形主要的數(shù)量關(guān)系（以電阻負(fù)載為例 ）：1） 輸出電壓平均值整流電壓平均值 Ud 可根據(jù)輸出波形及有關(guān)計算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣 ?？蛰d時 ， U d2U 2 。 重載時， Ud 逐漸趨近于 0.9U2， 即趨近于接近電阻負(fù)載時的特性 。

7、通常在設(shè)計時根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C 值，使，T 為交流電源的周期 ，此時輸出電壓為 ： Ud 1.2 U2 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 2-1b電容濾波的單相不可控整流電路輸出電壓與輸出電流的關(guān)系2） 電流平均值 輸出電流平均值 I R為： I R U d / RI d I R二極管電流 iD 平均值為 ： i dI d / 2IR/23） 二極管承受的電壓 ：2U22.2 升壓（ boost ）斬波電路主電路設(shè)計1）升壓斬波電路的原理圖如圖所示：圖 2-2a 升壓斬波電路原理圖圖 2-2a 中假設(shè) 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

8、負(fù)載供電 ，因 C 值很大，輸出電壓 uo 為恒值，記為 Uo 。 設(shè) V 通.專業(yè) .整理 .下載可編輯的時間為 ton ，此階段 L 上積蓄的能量為EI1ton ；V 斷時，E 和 L 共同向 C 充電并向負(fù)載R 供電 。 設(shè) V 斷的時間為toff ，則此期間電感L 釋放能量為U oE I 1to f f 。穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等EI 1 t onU o E I 1 to f f化簡得：U ot ont o f fTE（ 1 ）Et o f ft o f fT / toff1，輸出電壓高于電源電壓 ，故稱升壓斬波電路 。也稱之為 boost變換器 。 T /

9、 t off 表示升壓比 ，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo 。將升壓比的倒數(shù)記作t off，即T。和導(dǎo)通占空比 有如下關(guān)系 ：1（ 2）因此，式（1）可表示為U o1 E1E（ 3 ）1升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因： L 儲能之后具有使電壓泵升的作用 ，電容 C 可將輸出電壓保持住 。2）主電路工作原理.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 2-2b主電路工作原理圖其中示波器觀察控制電路輸出脈沖的寬度和幅值，電壓表分別用來測電源、MOSFET、負(fù)載的電壓 。直流電源需通過電源電路變壓整流獲得； PMW 波由基于 SG3525 的控制電路產(chǎn)生 ，以控制 MOSFET 的通斷 。其工作原理已在上面說

10、過。2.3 控制電路設(shè)計隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率 MOSFET 在開關(guān)變換器中開始廣泛使用。為此 ，美國硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525 ，以用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。 SG3525 是一種性能優(yōu)良 、功能齊全和通用性強(qiáng)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)動能力；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(hù)功能，頻率可調(diào) ，同時能限制最大占空比。控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比 的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護(hù)功能。

11、我們采.專業(yè) .整理 .下載可編輯取的是由電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525 為核心組成的控制電路。SG3525 的管腳如圖所示圖 2-3a SG3525 管腳圖其中，腳16 為 SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出 ，精度可以達(dá)到 （5.1 ±1）V，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5，腳 6，腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器 ，內(nèi)電容充放電電路 ，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器 。 振蕩器還設(shè)有外同步輸入端 (腳3)。腳1 及腳 2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端 。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài) 、靜態(tài)特性要求 ，在誤差放大器的輸出腳 9 和輸入腳 1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

12、。各管腳具體功能如下 ：1 腳：誤差放大器的反相輸入端；2 腳：誤差放大器的同相輸入端；3 腳：同步信號輸入端 ， 同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率 f s 要低一些 ；4 腳：振蕩器輸出 ；5 腳：振蕩器外接電容 CT端，振蕩器頻率 fs1/CT （0.7RT+3R0）,R0為5腳與 7腳之間跨接的電阻 ，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時間 ，定時電容范圍為 0.001 0.1 F；6 腳：振蕩器外接定時電阻 RT端，RT值為 2 150 k ；7 腳：振蕩器放電端 ，用外接電阻來控制死區(qū)時間 ，電阻范圍為 0 500.專業(yè) .整理 .下載可編輯；8 腳：軟啟動端 ，外接軟啟動電容 ，該電容由內(nèi)部 Vref的50

13、A恒流源充電；9 腳：誤差放大器的輸出端 ；10腳：PWM 信號封鎖端 ，當(dāng)該腳為高電平時 ，輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù) ；11腳：A路驅(qū)動信號輸出 ；12腳：接地；13腳：輸出集電極電壓 ；14腳：B路驅(qū)動信號輸出 ；15腳：電源， 其范圍為 835 V ，通常采用 +15V ；16腳：內(nèi)部5 V 基準(zhǔn)電壓輸出 。SG3525芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 2-3b SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖SG3525 芯片內(nèi)部集成了精密基準(zhǔn)電源、誤差放大器 、帶同步功能的振蕩器、脈沖同步觸發(fā)器 、圖騰柱式輸出晶體管 、PWM 比較器、PWM 鎖存器、軟啟動電路 、關(guān)斷

14、電路和欠壓鎖定電路。芯片 +5.1V 基準(zhǔn)電壓精度為 ±1%， 由于基準(zhǔn)電壓值在誤差放大器的輸入共模范圍內(nèi) ，因此，無須外接電阻 。SG3525 可以工作在主從模式 ，也可以與外部時鐘同步 。 通過 CT 端(引腳 ) 與放電端之間的電阻可以設(shè)置死區(qū)時間。SG3525 采用電壓模式控制方式，工作原理波形如圖311 所示 。振蕩器輸出的時鐘信號觸發(fā)PWM 鎖存器 (Latch) ，形成 PWM 信號的上升沿 ，使主電路的開關(guān)器件開通 。 誤差放大器的輸出信號與振蕩器輸出的三角波信號相比較，當(dāng)三角波的瞬時值高于誤差放大器的輸出時，PWM 比較器翻轉(zhuǎn) ，觸發(fā) PWM 鎖存器，形成 PWM

15、信號的下降沿 ，使主電路的開關(guān)器件關(guān)斷。F/F 觸發(fā)器用作分頻.專業(yè) .整理 .下載可編輯器，將 PWM 鎖存器的輸出分頻 ，得到占空比為 0.5、頻率為振蕩器頻率一半的方波。1. 軟啟動SG3525 的軟啟動電容接入端 (引腳 ) 上通常接一個 5 F的軟啟動電容 。充電過程中 ，由于電容兩端的電壓不能突變，因此，與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反相輸入端處于低電平， PWM比較器輸出為高電平。此時，PWM 鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通 。 只有當(dāng)軟啟動電容的充電電壓使引腳處于高電平時 ，SG3525才能開始工作 。2. 關(guān)斷操作通過引腳

16、(關(guān)斷端 )來關(guān)閉SG3525 的輸出 。 當(dāng)引腳 上的信號為高電平時，可以實現(xiàn)兩個功能 ： PWM鎖存器立即動作 ，同時軟啟動電容開始放電。放電電流只有150A，如果關(guān)斷信號為短暫的高電平， PWM 信號將被中止 ，但此時軟啟動電容沒有明顯的放電過程。利用這個特點 ，可以很容易地實現(xiàn)逐個脈沖限幅 。但是 ，如果引腳 上的高電平維持較長的時間，軟啟動電容將充分放電 ，當(dāng)關(guān)斷信號結(jié)束時 ，將進(jìn)入軟啟動過程 。 特別要注意的是引腳不應(yīng)懸空，因為從該腳耦合進(jìn)來的噪音信號將影響電路的正常工作。也可以用補(bǔ)償和軟啟動引腳來關(guān)斷SG3525 的輸出 。由于補(bǔ)償和軟啟動引腳內(nèi)部都有上拉電流源 ，當(dāng)外部電路有下

17、拉信號時，最大只需吸收100A的電流就可關(guān)斷輸出 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 2-3cSG3525 脈沖圖3. 振蕩器在直流降壓斬波電路中可以通過調(diào)節(jié)2 腳接的電阻值改變輸出脈沖信號的占空比。1、 9 腳短接形成反饋 ，控制 2 腳經(jīng)可調(diào)電阻器接 5V 電壓即可 。 本設(shè)計取CT=4700pF ， RT=3 3k， RD=100，經(jīng)計算振蕩器輸出頻率是90kHz ，PWM 輸出頻率定為45kHz 。直流電源 Vs 從腳 15接入后分兩路 ，一路加到或非門 ；另一路送到基準(zhǔn)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

18、接電阻RT 和電容 CT 決定，振蕩器的輸出分為兩路 ，.專業(yè) .整理 .下載可編輯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(jìn)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 。 或非門的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波 。 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平 ，將 PWM脈沖送至三極管 VT1 及 VT2 的基極（由腳 11 和腳 14 輸出），鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間 ，保證 VT1 及 VT

19、2 不同時導(dǎo)通 。最后 ，腳 11 及腳 14 分別輸出相位相差為 180°的 PWM 波。在本設(shè)計選用的MOSFET 是 IRF640，它由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的PWM 信號驅(qū)動 。下面是采用 SG3525 設(shè)計的控制電路圖 2-3d基于 SG3525 的控制電路.專業(yè) .整理 .下載可編輯2.4 驅(qū)動電路設(shè)計由于 SG3525 所產(chǎn)生的脈沖不足以驅(qū)動MOSFET 管工作 ，還需要采用已TPL250 為主控芯片的光耦驅(qū)動電路圖 2-4基于 TPL250 的控制光耦驅(qū)動電路2.5 保護(hù)電路設(shè)計過壓保護(hù)電路過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到 定電壓值時 ，自動

20、開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。.專業(yè) .整理 .下載可編輯主電路器件保護(hù)當(dāng)達(dá)到 定電壓值時 ，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件 。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖2-5a 所示 。圖 2-5aRC 阻容過電壓保護(hù)電路圖負(fù)載過壓保護(hù)如圖 2-5b 所示比較器同相端接到負(fù)載端，反

21、相端接到一個基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10 端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom 抬高.專業(yè) .整理 .下載可編輯10 端電位，從而使 10 端上的信號為高電平時 ， PWM 瑣存器將立即動作 ，禁止SG3525 的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電 。 如果該高電平持續(xù) ，軟啟動電容將充分放電 ，直到關(guān)斷信號結(jié)束 ，才重新進(jìn)入軟啟動過程，從而實現(xiàn)過壓保護(hù)。電阻的取值 ，比較器反相端接5.1V 電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V 以內(nèi)，取負(fù)載輸出電壓最大值80V 來算 R20/R18=80/3左右 ，所以 R20=100K ，R18=4K ，R17=10k ，R1

22、9=2k 。圖 2-5b負(fù)載過壓保護(hù).專業(yè) .整理 .下載可編輯過流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流 。 當(dāng)器件擊穿或短路 、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載 、直流側(cè)短路 、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等 ，均可引起過流 。 由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù) 。過流保護(hù)的方法比較多 ，比較簡單的方法是一般采用添加FU 熔斷器來限制電流的過大 ，對電路中元件的保護(hù) 。2.6 直流升壓斬波電路總電路總電路圖如下圖所示 （保護(hù)電路未加入 ）。圖 2-6 BOOST 斬波電路總電路圖2.7 元器件列表器件名稱規(guī)格型號數(shù)量（單位）.專業(yè) .整理 .下載可編輯運算放大器LT12283 個光耦合器TLP2501 個大電感1mH1 個電解電容-若干MOSFETIRF640N1 個電阻-若干脈沖發(fā)生芯片SG35251 塊滑動變阻器10K2 個二極管IN40077 個三極管NPN, PNP各 1 個快速熔斷絲6A