電力電子課程設(shè)計(jì)直流斬波電路(優(yōu)秀設(shè)計(jì))

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱(chēng)： 直流斬波電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名學(xué)生姓名課題名稱(chēng)直流斬波電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求（ 1 ）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析設(shè)計(jì)任務(wù)。（ 2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。（ 3）能正確設(shè)計(jì)電路，畫(huà)出線路圖，分析電路原理。（ 4）廣泛收集相關(guān)資料。（ 5）獨(dú)立思考，刻苦專(zhuān)研，嚴(yán)禁抄襲。（ 6）按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確的書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容（ 1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)所要設(shè)計(jì)地任務(wù)進(jìn)行具體分析，充分了解系統(tǒng)性能，指標(biāo)要求。（ 2）制定設(shè)計(jì)方案。（ 3）迸行具體設(shè)計(jì)：?jiǎn)卧娐返脑O(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算；器件選擇；繪制

2、電路原理圖。（ 4）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（說(shuō)明書(shū)）：課程設(shè)計(jì)報(bào)告是對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程的系統(tǒng)總結(jié)。三、技術(shù)指標(biāo)斬波電路輸出電壓為100 5V，直流降壓斬波電路輸入電壓為直流流200V，直流升壓斬波電路輸入電壓為直流50V。 脈沖周期為50 S（降壓）40 S（升壓），脈沖信號(hào)占空比可以通過(guò)SG3525 調(diào)節(jié)。進(jìn)度安排起止日期設(shè)計(jì)內(nèi)容6.1分析設(shè)計(jì)任務(wù)，確定元件參數(shù)、指標(biāo)6.1用 Multisim 進(jìn)行仿真，Protel 繪制硬件電路圖6.2撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告答辯 成績(jī)指導(dǎo) 教師 評(píng)閱 意見(jiàn)系：電氣與信息工程系年級(jí)：專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化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(chēng)為直流-直流變換器

3、（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(lèi)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 不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton 不變，改變Ts） 。本設(shè)計(jì)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(jì)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

4、輸出電壓的曲線圖，通過(guò)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(jì)，它通過(guò)Protel 等軟件設(shè)計(jì)完成。關(guān)鍵字 ：直流斬波；PWM； SG3525 TOC o 1-5 h z 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)1.直流斬波電路原理1. HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 直流降壓斬波電路 1. HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 直流升壓斬波電路 2.主電路的設(shè)計(jì)3. HYPERLINK l bookmark10 o Current Docum

5、ent 直流降壓斬波電路 3. HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù) 3.直流升壓斬波電路 4.直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算 4. HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)5. HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5. HYPERLINK l bookmark25 o Current Document PWM 控制芯片SG3525簡(jiǎn)介 5. HYPERLINK l bookmark27 o Current Do

6、cument SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性5. HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 觸發(fā)電路6. HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 系統(tǒng)總電路圖 7. HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 電路仿真8. HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 觸發(fā)電路的仿真 8. HYPERLINK l bookmark37 o Current Document Multisim 仿真電路的建立 8. HYPERLINK

7、l bookmark39 o Current Document 觸發(fā)電路的仿真結(jié)果及分析 9. HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 直流降壓斬波電路的仿真及分析1.0 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document Multisim仿真電路的建立1.0 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析1. 0 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 升壓斬波電路仿真1.1 HYPERLINK l boo

8、kmark49 o Current Document Multisim仿真電路的建立1. 1 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析1. 2 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 總結(jié)與體會(huì)1.3.參考文獻(xiàn)1.4. 1 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)1.1 直流斬波電路原理1.1.1 直流降壓斬波電路 TOC o 1-5 h z 直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低于電源電壓，其1-1 直流降壓斬波電路原理圖原理電路如圖1-1所示。在開(kāi)關(guān)器件V 導(dǎo)通時(shí)，有電流經(jīng)電感L

9、 向負(fù)載供電，在V關(guān)斷時(shí)，電感L 釋放儲(chǔ)能，維持負(fù)載電流，電流經(jīng)負(fù)載和二極管VD 形成回路。調(diào)節(jié)開(kāi)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：ton E ET1-1)tonttt on t off式中 T 為 V 開(kāi)關(guān)周期,ton 為導(dǎo)通時(shí)間，為占空比。Uo 最大為E， 減小a， Uo 隨之減小降壓斬波電路。 也稱(chēng)為 Buck 變換器 （BuckConverter）。負(fù)載電流平均值為：1-2)U0 Em電流斷續(xù)時(shí)，uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式:（ l ） 保持開(kāi)關(guān)周期T 不變，調(diào)節(jié)開(kāi)

10、關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton ，稱(chēng)為PWM（Pulse WidthMadula-tion）或脈沖調(diào)寬型。保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton 不變，改變開(kāi)關(guān)周期T,稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。ton 和T 都可調(diào)，使占空比改變，稱(chēng)為混合型。1.2.2 直流升壓斬波電路1-2 所示。1-2 直流升壓斬波電路原理圖直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖在電路中V 導(dǎo)通時(shí)，電流由E 經(jīng)升壓電感L 和 V 形成回路，電感 L 儲(chǔ)能；當(dāng)V 關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(kāi)關(guān)器件V 的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出

11、電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為:ttT1-3)Uon offoEEtofftoff式中 T 為 V 開(kāi)關(guān)周期,ton 為導(dǎo)通時(shí)間，tott為關(guān)斷時(shí)間。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(gè)原因:一是L 儲(chǔ)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(shí)際上C 值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容C 值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。1.2 主電路的設(shè)計(jì)直流降壓斬波電路直流降壓斬波主電路圖如圖1-3 所

12、示。1-3 直流降壓斬波主電路直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V，負(fù)載電阻R=10 ，試選 L=2mH,T=50 S,ton=25 S。 根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件：L =0.0002，T =0.1，=0.05R1e=0.487m（ 1-5）e1所有所選L 符合要求，電流不斷續(xù)。全控型器件選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要參數(shù)如下：關(guān)斷頻率：f=1MHz TOC o 1-5 h z td（on）=60ns（1-6）t d （off ） =550ns（ 1-7）I D =75A（1-8）VDS 40V（1-9）V

13、GSS 20V（1-10）2SK307 的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。理論計(jì)算降壓后輸出結(jié)果：U o ton E 100VI o URo 10A1-11 )1-12)1.2.3 直流升壓斬波電路直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4 所示。1-4 直流升壓斬波主電路1.2.4 直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)降升斬波電路中，直流升壓變壓器電源電壓E=50V， 負(fù)載電阻R=10 ，試選 L=2mH,T=40 S,ton=20 S。 C=30mF根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件：1-13)其中 + =1，經(jīng)計(jì)算可知所選元件參數(shù)符合要求，在此升壓斬波電路中電流不 斷續(xù)。全控型器件同直流降壓斬波電路一樣選擇Silicon N Cha

14、nnel MOS FET2SK307L，參數(shù)在此不在贅述。 理論計(jì)算升壓后輸出結(jié)果：1E 100V1-14)1-15)U o 10V R2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)2.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2.1.1 PWM 控制芯片SG3525簡(jiǎn)介SG3525A系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進(jìn)為各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源的控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準(zhǔn)電壓調(diào)定在1， 誤差放大器有一個(gè)輸入共模電壓范圍。它包括基準(zhǔn)電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。 一個(gè)到振蕩器的同步輸入可以使多個(gè)單元成為從電路或一個(gè)單元和外部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。在 CT 和放電腳之間用單個(gè)電阻器連接即可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行大范圍的編程。 在這些器件內(nèi)

15、部還有軟起動(dòng)電路，它只需要一個(gè)外部的定時(shí)電容器。一只斷路腳同時(shí)控制軟起動(dòng)電路和輸出級(jí)。只要用脈沖關(guān)斷，通過(guò)PWM（脈寬調(diào)制）鎖存器瞬時(shí)切斷和具有較長(zhǎng)關(guān)斷命令的軟起動(dòng)再循環(huán)。當(dāng)VCC 低于標(biāo)稱(chēng)值時(shí)欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動(dòng)電容器。輸出級(jí)是推挽式的可以提供超過(guò)200mA 的源和漏電流。SG3525A系列的NOR（或非）邏輯在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)輸出為低。工作范圍為 8.0V到 35V5.1V 1.0調(diào)定的基準(zhǔn)電壓100Hz到 400KHz 振蕩器頻率分立的振蕩器同步腳2.1.2 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性（ 1）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.1V， 50mA，有短路電流保護(hù)的電壓調(diào)整器。它

16、供電給所有內(nèi)部電路，同時(shí)又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。若輸入電壓低于6V 時(shí)，可把15、 16 腳短接，這時(shí)5V 電壓調(diào)整器不起作用。（ 2）振蕩器3525A 的振蕩器，除CT、 RT 端外，增加了放電7、同步端3。 RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)CT 充電， CT 的放電則由5、 7 端之間外接的電阻值RD 決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)RD 來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，因此是重大改進(jìn)。這時(shí) 3525A 的振蕩頻率可表為：fS1CT(0.7RT 3RD)2-1)3） SG3525 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示。圖 2-1 SG3525 的引腳以及內(nèi)部框圖在直流降壓斬波電路中可以通過(guò)

17、調(diào)節(jié)2 腳接的電阻值改變輸出脈沖信號(hào)的占空比，根據(jù)求頻率f 的公式計(jì)算出SG3525外接元件參數(shù)如下：CT 0.01 F（ 2-2）RT 7.（ 2-3）RD 10（ 2-4）2.1.3 觸發(fā)電路MOS FET 驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。MOS FET 驅(qū)動(dòng)電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展（包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件），數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，MOS FET 驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的 PWM 模塊產(chǎn)生的

18、。而PWM 接口驅(qū)動(dòng)能力及其與MOS FET 的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計(jì)的光耦驅(qū)動(dòng)電路是一種可靠的MOS FET 驅(qū)動(dòng)方案。SG3525的光耦驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2 所示。2-2 MOS FET 觸發(fā)電路圖2.2 系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總的電路圖如圖2-3 所示2-3 系統(tǒng)總電路圖3 電路仿真觸發(fā)電路的仿真Multisim 仿真電路的建立在 Multisim 中用元件PWMVM 代替 PWM 控制芯片SG3525， PWMVM的外接電路如圖3-1 所示，根據(jù)仿真電路圖原理通過(guò)改變R7 的大小可以改變脈沖占空比，改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即構(gòu)成

19、脈沖寬度控制器，通過(guò)占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。3-1 觸發(fā)電路模擬仿真圖 3-5 輸出波形圖 觸發(fā)電路的仿真結(jié)果及分析在 Multisim 中對(duì)觸發(fā)電路進(jìn)行仿真，根據(jù)PWMVM 控制原理可知，當(dāng)R7=10K 時(shí)，占空比為90%， 仿真結(jié)果如圖3-2 所示： 當(dāng) R7=50K 時(shí)，占空比為50%，仿真結(jié)果如圖3-3 所示。圖 3-3 R7=50K 時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖直流降壓斬波電路的仿真及分析Multisim 仿真電路的建立根據(jù)直流降壓變流器原理圖建立變流器的Multisim 仿真模型如圖3-4所示。圖 3-4 降壓斬波電路模型在模型中采用了MOS FET,MOS FET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈

20、沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為50 S 和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=200V， 輸出電壓U R=100V， 電阻負(fù)載為10 ， 電感 L=2mH。用示波器觀察輸出波形和二極管兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析脈沖信號(hào)波形和輸出電壓波形如圖3-5，脈沖信號(hào)波形和二極管兩端的電壓波形如圖3-6。 .3-6 二極管電壓波形圖由圖 3-5 分析可知觀察結(jié)果同理論值相符，誤差在允許范圍內(nèi)。所設(shè)參數(shù)滿(mǎn)足降壓要求但是電壓的波動(dòng)很大。修改電感參數(shù)進(jìn)行多次仿真，可發(fā)現(xiàn)增大電感可以減少輸出電壓的脈動(dòng)，但電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間

21、被延遲。由圖3-6 分析可知二極管在 MOS FET 導(dǎo)通關(guān)斷此時(shí)電壓等于電源電壓E，在 MOS FET 關(guān)斷是導(dǎo)通起續(xù)流的作用此時(shí)電壓等于0。升壓斬波電路仿真Multisim 仿真電路的建立根據(jù)直流升壓壓變流器原理圖建立變流器的Multisim 仿真模型如圖3-7 所示。圖 3-7 升壓斬波電路模型在圖 3-7升壓斬波電路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為40 S 和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空 比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=50V，輸出電壓U R =100V，電阻負(fù)載為10 ，電感L=2mH，電容C=30mF。用示波器觀察輸出波形和二極管與電容兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析脈沖信號(hào)和輸出電壓波形如圖3-8 和 3-9 所示，脈沖信號(hào)波形和二極管與電容兩端的波形如圖3-10 所示。3-8 輸出電壓波形仿真開(kāi)始3-9 輸出電壓穩(wěn)定后波形圖 3-10 二極管與電容兩端的電壓由圖 3-7 與 3-8 分析可知示波器、電壓表、電流表所觀測(cè)的結(jié)果與理論值相符，誤差很小在允許范圍內(nèi)。由圖3-8 可知電感越大輸出電壓越穩(wěn)定但是延遲時(shí)間越長(zhǎng)