電力電子升壓斬波電路課程設計

1、目錄摘要2.1 .主電路設計3.1.1 MOSFET升壓斬波電路原理圖31.2 MOSFET升壓斬波電路工作原理31.3 MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定51.4 MOSFET升壓斬波電路典型波形61.5 晶閘管的觸發(fā)電路6.1.6 驅(qū)動電路8.1.7 升壓斬波電路的主電路設計92 .限制電路設計1.02.1 限制電路原理圖102.2 限制電路工作原理103 .仿真結(jié)果124 .心得體會145 .參考文獻1.5摘要直流直流升壓電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)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.隨之出

2、現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復合電路等多種方式的變換電路.直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中,使其限制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果.早期的直流裝換電路,電路復雜、功率損耗、體積大,使用不方便.品閘管的出現(xiàn)為這種電路的設計又提供了一種選擇.品閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱,又可稱做可控硅整流器,以前被簡稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以限制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中.它電路簡單體積小,便于集成；功率損耗少,符合當今社會生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘

3、管是一種很好的選擇.直流斬波電路的種類較多,包才S6種根本斬波電路：降壓斬波電路,升壓斬波電路,升降壓斬波電路,Cuk斬波電路,Sepic斬波電路和Zeta斬波電路.利用不同的根本斬波電路進行組合,可構(gòu)成復合斬波電路.本文著重解決用MOSFET作開關(guān)的升壓斬波電路.1 .主電路設計設計一個MOSFET升壓斬波電路純電阻負載設計要求：1輸入直流電壓：Ud=50V;2輸出功率：300W;3開關(guān)頻率：5KHz;4占空比：10%-50%;5輸出電壓脈動率：小于10%.1.1 MOSFET升壓斬波電路原理圖MOSFET升壓斬波電路原理圖如圖1所示,圖1MOSFET升壓斬波主電路原理圖1.2 MOSFET

4、升壓斬波電路工作原理在限制開關(guān)開通期間ton,電流從電源正極流出,經(jīng)過電感從開關(guān)流回電源負極.電容C向R供電,輸出電壓U.上正下負.電源電壓Ui全部加到電感兩端UlUi,在該電壓作用下,電感電流iL線性增長.在導通之間內(nèi),電感電流增量為:IItonUidtUltLin1-1在限制開關(guān)關(guān)斷期間toff,iL經(jīng)二極管流出,電感電壓極性將變成左負右正,認為電感很大,iL不變.這樣,電源和電感同時給電容C和負載R供電,負載兩端電壓仍是上正下負.電感電壓UlUiUo0,電感電流iL線性減小.在關(guān)斷時間tof內(nèi),電感電流減小量的絕對值為：IlT-dtUt0nlL1-2當電路工作在穩(wěn)態(tài)時,電感電流iL波形必

5、然周期性重復,開關(guān)導通期間電感電流iL的增量等于開關(guān)斷開時電感電流iL的減少量,即iLiLo聯(lián)立可得輸出電壓1/CUoUi1-31由上式可知,是一個小于1的數(shù),故輸出電壓比輸入電壓大.從能量守恒角度分析假設電感足夠大,電流平直,電路到達穩(wěn)態(tài)時,電感在開關(guān)開通期間吸收的能量Uilton與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量UoUiItof相等.列出UiltonUoUiltof1-4解得,1,-UoUi1-51下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在T時刻電感電流iL剛好降到0.那么為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài).止匕時i21升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為：PiUiIl1-6PoUoIo1-7忽略損耗,有PPo,于

6、是,IIUiLi.1-8得臨界電感值為確定電容的計算R2Lc512T1-9電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等,QIoT1-10那么電壓變化量那么QloJUoTCCRC1-11UoT1-12Uo可決定脈動率RUo1.3MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定根據(jù)設計要求可選大小為50V的直流電壓源；選取降壓斬波電路的占空比為50%;那么輸出電壓Uo100V；U2輸出功率FO,要求輸出功率為300W,可計算出負載電阻R33.3;R電壓限制電壓源和脈沖電壓源可組成MOSFET功率開關(guān)的驅(qū)動電路.R計算Lc：由式Lc(1)2T,周期T可由開關(guān)頻率5KHz得出為2104s,2把Uo、F

7、O代入上式得出Lc0.4103H.當LLc時,工作在連續(xù)狀態(tài)下.電感越大時,電感電流越平直.取L0.4103H.計算C:由式CU,要求脈動率10%,取10%；RUo計算UU010%10V;代入上式計算出C3105F,濾波電容越大,輸出電壓越平直.1.4 MOSFET升壓斬波電路典型波形MOSFET主電路典型波形如圖2所示,圖2MOSFET主電路典型波形1.5 晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖,保證品閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通廣義上講,還包括對其觸發(fā)時刻進行限制的相位限制電路.晶閘管觸發(fā)電路應滿足以下要求：1、觸發(fā)脈沖的寬度應保證品閘管可靠導通結(jié)合擎住電流的概念2、觸發(fā)脈沖應

8、有足夠的幅度3、不超過門極電壓、電流和功率定額,且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)4、應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離圖3理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間1st1t3強脈寬度IM強脈沖幅值3IGT5IGTt1t4脈沖寬度VI、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)V1、V2導通時,通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設1.6 驅(qū)動電路驅(qū)動電路一一主電路與限制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài),縮短開關(guān)時間,減小開關(guān)損耗,對裝置的運行效率、可靠

9、性和平安性都有重要的意義對器件或整個裝置的一些保護舉措也往往設在驅(qū)動電路中,或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)驅(qū)動電路的根本任務：將信息電子電路傳來的信號按限制目標的要求,轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件限制端和公共端之間,可以使其開通或關(guān)斷的信號對半控型器件只需提供開通限制信號對全控型器件那么既要提供開通限制信號,又要提供關(guān)斷限制信號驅(qū)動電路還要提供限制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié),一般采用光隔離或磁隔離光隔離一般采用光耦合器圖5中是一種采用光耦合隔離的由V2、V3組成的驅(qū)動電路.當限制脈沖使光耦關(guān)斷時,光耦輸出低電平,使V2截至,V3導通,MOSFET在DZ1反偏作用下關(guān)斷.當限制脈沖使光耦導通時,光耦輸出高電平

10、,使V2導通,V3截至,經(jīng)VCC、V2、RG產(chǎn)生的.正向驅(qū)動電壓使MOS管開通.電源+VCC可由DC/DC芯片提供.電力MOSFE的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩局部；無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅(qū)動電壓；當有輸入信號時A輸出正電平,V2導通輸出正驅(qū)動電壓.在升壓斬波電路中,主電路和限制電路共地,所以驅(qū)動不用隔離.在降壓斬波電路中那么需要在限制電路和主電路之間加隔離.本實驗裝置中采用的隔離方法是,先加一級光耦隔離,在加一級推挽電路進行放大.為了得到最正確的波形,在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻進行合理的搭配.1.7 升壓斬波電路的主電路設計圖6升壓斬波電路的主電路

11、2.限制電路設計2.1 限制電路原理圖圖7限制電路原理圖2.2 限制電路工作原理反相輸入匚1IH_|Vrcf同H臨入匚2IR同步解匚314二1口祥H報鑿抬恤出匚41乂二A、口管匚CTI5二岫ir|_611A71E放噂配匚71(?二1聞料件用軟門動財匚89二1祚虎圖8SG3525的弓I腳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,同步脈沖的頻率應比振蕩器頻率fS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fs=1/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0.0010.1pF;6腳：振蕩

12、器外接定時電阻RT端,RT值為2150kQ;7腳：振蕩器放電端,用外接電阻來限制死區(qū)時間,電阻范圍為0500Q;8腳：軟啟動端,外接軟啟動電容,該電容由內(nèi)部Vref的50仙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；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,具范圍為835V;16腳：內(nèi)部+5V基準電壓輸出限制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號,用于可限制斬波電路中主功率器件的通斷,通過對占空比a的調(diào)節(jié),到達限制輸出電壓大小的目的.止匕外,限制電路還

13、具有一定的保護功能.被實驗裝置的限制電路采用限制芯片SG3525為核心組成.芯片的輸入電壓為8V到35V.它的振蕩頻率可在100Hz到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié).在芯片的CT端和放電端問串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間.此外此外,其軟起動電路非常容易設計,只需外部接一個軟起動電容即可.3.仿真結(jié)果圖9輸入信號參數(shù)圖圖10仿真波形圖根據(jù)圖10,我們可以很容易得出幾個參數(shù),第一,可以讀出輸出電流值I.3.0Ao第二,可以讀出輸出電壓值U.100V04 .心得體會回憶此次電力電子課程設計,我感慨很多.從理論到實踐,我遇到了很多困難,但是同時也學到了好多東西.它不僅穩(wěn)固了以前所學的理論知識,更是

14、學到了很多課外的東西,鍛煉了自己解決實際問題的水平.剛開始拿到這個題目時,不知道如何下手,課本上涉及這局部的原理知識比擬少,光靠自己所學的知識根本解決不了,于是我去圖書館以及網(wǎng)站找了很多資料,學習了很多課本上沒有的東西,感覺特別充實.然后在做設計的過程中我學到了很多東西,也知道了自己的缺乏之處,知道自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固,以后還要努力.通過這次課程設計,發(fā)現(xiàn)了自己的缺乏和缺陷,也鍛煉了自己將理論知識運用到實際中的水平,受益良多.電力電子課程設計經(jīng)過一周的時間完成了.雖然現(xiàn)在的設計題目比擬簡單,但通過課程設計的學習工作,使我接觸了很多新的知識,也讓我對這門課有了更深的了解,培養(yǎng)了我們求真務實的態(tài)度.我會以這次課程設計作為對自己的鼓勵,繼續(xù)學習.本次課程設計的內(nèi)容囊括了本學期所學?電力電子技術(shù)?的大局部內(nèi)容,還用到了以前所學的電路、模電的知識.在設計的過程中我遇到了諸多問題,這主要是自己所學知識的不牢固和欠缺造成的.通過再次認真翻看課本,查閱資料,向老師和同學請教終于把一個又一個的問題解決掉.通過這次課程設計我不僅進一步穩(wěn)固了這門課程的知識還通過親自操作,熟悉了MATLAB等相關(guān)軟件的使用方法,這為以后的學習工作提供了便利.通過這次設計,我還發(fā)現(xiàn)課本