電力電子升壓斬波電路課程設(shè)計(jì).(DOC)

1、武漢理工大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 目錄摘要 2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .主電路設(shè)計(jì) 3. . HYPERLINK l bookmark6 o Current Document MOSFET升壓斬波電路原理圖 3. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document MOSFET升壓斬波電路工作原理 3. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定 5 HYPERLINK l bookmark

2、12 o Current Document MOSFET升壓斬波電路典型波形 6. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 晶閘管的觸發(fā)電路 6. HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 驅(qū)動(dòng)電路 8. . HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì) 9. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document .控制電路設(shè)計(jì)1.0. HYPERLINK l bookmark22 o Current Documen

3、t 控制電路原理圖1.0 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 控制電路工作原理1.0 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document .仿真結(jié)果1.2. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document .心得體會(huì)1.4. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document . 參考文獻(xiàn)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(dòng)系統(tǒng)、充電

4、蓄電電路、開(kāi)關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)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(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。早期的直流裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計(jì)又提供了一種選擇。晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱， 又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)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(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡(jiǎn)單體積小

5、，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。直流斬波電路的種類較多，包括 6 種基本斬波電路：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。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路。本文著重解決用MOSFET 作開(kāi)關(guān)的升壓斬波電路。.主電路設(shè)計(jì)MOSFET 升壓斬波電路（純電阻負(fù)載）1）輸入直流電壓：Ud=50V；2）輸出功率：300W；3）開(kāi)關(guān)頻率：5KHz；4）占空比：10%-50%；5）輸出電壓脈動(dòng)率：小于10%。MOSFET 升壓斬波電路原理圖MOSFET 升壓斬波電路原

6、理圖如圖1 所示，圖 1 MOSFET 升壓斬波主電路原理圖MOSFET 升壓斬波電路工作原理在控制開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間ton ，電流從電源正極流出，經(jīng)過(guò)電感從開(kāi)關(guān)流回電源C 向 R 供電，輸出電壓U o 上正下負(fù)。電源電壓U i 全部加到電感兩端uL Ui，在該電壓作用下，電感電流i L線性增長(zhǎng)。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量ton U iU iiL 0 L dt L tonUi TL1-1在控制開(kāi)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(fù)右正，認(rèn)為電感很大，iL不變。這樣，電源和電感同時(shí)給電容C 和負(fù)載 R供電，負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。電感電壓uLUi Uo 0，電感電流iL

7、線性減小。在關(guān)斷時(shí)間 toff 內(nèi)，電感電流減小量的絕對(duì)值為：iLUo UdtUo U1T1-2on當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流i L波形必然周期性重復(fù)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間電感電流 iL的增量等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感電流iL 的減少量，即iL iL 。聯(lián)立可得輸出電壓1U o U i1-3o1 i由上式可知，是一個(gè)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(shè)電感足夠大，電流平直），電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間吸收的能量（UiIton）與開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（Uo Ui）Itoff ）相等。列出UiIton（Uo Ui ）Itoff1-4解得 ,1U 0 U i1-51下面確定電

8、流連續(xù)的臨界條件：如果在 T時(shí)刻電感電流iL 剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時(shí) i 2iL升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為： TOC o 1-5 h z PiU i I L1-6Po UoIo1-7忽略損耗，有PiPo ，于是,ILU0I Ui o1-8得臨界電感值為,R2LC(1)2T1-92確定電容的計(jì)算電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開(kāi)通期間吸收的電荷相等，Q I o T1-10則電壓變化量則Q Io T Uo TC C RC1-111-12C Uo TR UoUo可決定脈動(dòng)率。MOSFET 升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為50V 的直流電壓源;選取降壓

9、斬波電路的占空比為50%;則輸出電壓U 0 100V ;U2輸出功率Po U o ，要求輸出功率為300W ，可計(jì)算出負(fù)載電阻R 33.3 ;oR電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成MOSFET 功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。R計(jì)算LC ：由式LC 2 (1)2T ，周期T 可由開(kāi)關(guān)頻率5KHz 得出為 2 10 4s，把 Uo、 Po代入上式得出Lc 0.4 10 3H 。L LC 時(shí) ， 工 作 在 連 續(xù) 狀 態(tài) 下 。 電 感 越 大 時(shí) ， 電 感 電 流 越 平 直 。 取L 0.4 10 3H 。計(jì)算 C ：由式 C U o T ，要求脈動(dòng)率10% ，取 10% ;R Uo計(jì)算 U U 0 1

10、0% 10V ;代入上式計(jì)算出C 3 10 5 F ，濾波電容越大，輸出電壓越平直。MOSFET 升壓斬波電路典型波形MOSFET 主電路典型波形如圖2 所示，MOSFET 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，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：1、觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）2、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度3、不超過(guò)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(yīng)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3 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t

11、1t2 脈沖前沿上升時(shí)間(1 s)t1t3 強(qiáng)脈寬度)IM強(qiáng)脈沖幅值(3IGT5IGT)t1t4 脈沖寬度)I脈沖平頂幅值(1.5IGT2IGT)4 晶閘管觸發(fā)電路V1 、 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(dǎo)通時(shí)，通過(guò)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(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM 釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)

12、在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路還要提供控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(dòng)電路。當(dāng)控制脈沖使光耦關(guān)斷時(shí)，光耦輸出低電平，使V2 截至， V3 導(dǎo)通， MOSFET 在 DZ1 反偏作用下關(guān)斷。當(dāng)控制脈沖使光耦導(dǎo)通時(shí)，光耦輸出高電平，使V2 導(dǎo)通， V3 截至，經(jīng)VCC

13、、 V2、 RG產(chǎn)生的 .正向驅(qū)動(dòng)電壓使MOS 管開(kāi)通。電源+VCC 可由 DC/DC 芯片提供。電力 MOSFE 的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A 輸出負(fù)電平,V3 導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A 輸出正電平， V2 導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。在升壓斬波電路中，主電路和控制電路共地，所以驅(qū)動(dòng)不用隔離。在降壓斬波電路中則需要在控制電路和主電路之間加隔離。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，在加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。為了得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻進(jìn)行合理的搭配。升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì)6 升壓斬波電路的主電路2.控制電路設(shè)計(jì)

14、2.1 控制電路原理圖圖 7 控制電路原理圖2.2 控制電路工作原理8 SG3525的引腳腳： 誤差放大器的反相輸入端；腳：誤差放大器的同相輸入端；腳：同步信號(hào)輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fS 要低一些；腳：振蕩器輸出；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(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001 0.1 F；腳： 振蕩器外接定時(shí)電阻RT 端， RT 值為2 150 k ；腳： 振蕩器放電端，用外接電阻來(lái)控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0 500 ；腳： 軟啟動(dòng)端，外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Vref 的 5

15、0 A恒流源充電；腳：誤差放大器的輸出端；腳：PWM 信號(hào)封鎖端，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)；腳：A 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳：接地；腳：輸出集電極電壓；腳： B 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳：電源，其范圍為8 35 V；腳：內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓輸出控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM 信號(hào)， 用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)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。被實(shí)驗(yàn)裝置的控制電路采用控制芯片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C

16、T 端和放電端間串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外此外，其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。3.仿真結(jié)果9 輸入信號(hào)參數(shù)圖10 仿真波形圖根據(jù)圖10，我們可以很容易得出幾個(gè)參數(shù)，第一，可以讀出輸出電流值I 0 3.0A。第二，可以讀出輸出電壓值U 0 100V 。.心得體會(huì)回顧此次電力電子課程設(shè)計(jì)，我感慨很多。從理論到實(shí)踐，我遇到了很多困難， 但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力。剛開(kāi)始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少， 光靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，于

17、是我去圖書(shū)館以及網(wǎng)站找了很多資料， 學(xué)習(xí)了很多課本上沒(méi)有的東西，感覺(jué)特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。電力電子課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)一周的時(shí)間完成了。雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)題目比較簡(jiǎn)單，但通過(guò)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作，使我接觸了很多新的知識(shí)，也讓我對(duì)這門課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。我會(huì)以這次課程設(shè)計(jì)作為對(duì)自己的激勵(lì)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)電力電子技術(shù)的大部分內(nèi)容，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到了諸多問(wèn)題，這主要是自己所學(xué)知識(shí)的不牢固和欠缺造成的。通過(guò)再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請(qǐng)教終于把一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題解決掉。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我不僅進(jìn)一步鞏固了這門課程的知識(shí)還通過(guò)親自操作，熟悉了MATLAB 等相關(guān)軟件的使用方法，這為以