电气工程boost斩波电路升压斩波电路电力电子技术课程设计报告书.docx

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电气工程boost斩波电路升压斩波电路电力电子技术课程设计报告书

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DCConverter），直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多：

降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。

另外还有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。

斩波器的工作方式有：

脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）。

本设计是基于SG3525芯片为核心控制的脉宽调制方式的升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。

Multisim主要是仿真分析，借助其强大的仿真功能可以很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，利用软件自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。

第二部分是硬件电路设计，它通过软件设计完成。

关键字：

直流斩波；PWM；SG3525

1BOOST斩波电路工作原理

1.1主电路工作原理

本实验主电路是直流升压斩波电路即boost斩波电路。

直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其理图如图1-1所示。

在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通是，电容的放电回路。

调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。

负载侧输出电压的平均值为:

（1-1）

式中T为V开关周期,

为导通时间，

为关断时间。

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:

一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。

在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。

必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。

1.2控制电路选择

控制电路选用SG3525产生脉冲，再利用TLP250作为驱动，最终利用MOSFET管来实现对主电路的控制，最终电路如图1-2、图1-3所示。

2

图1-3TLP250脉冲驱动电路

2硬件调试

2.1电源电路设计

本课设采用的是电容滤波的单相桥式不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。

其工作原理图如下：

图2-1a电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形

主要的数量关系（以电阻负载为例）：

1）输出电压平均值

整流电压平均值Ud可根据输出波形及有关计算公式推导得出，但推导繁琐。

空载时，

。

重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。

通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使，T为交流电源的周期，此时输出电压为：

Ud≈1.2U2。

图2-1b电容滤波的单相不可控整流电路输出电压与输出电流的关系

2）电流平均值输出电流平均值

为：

二极管电流iD平均值为：

3）二极管承受的电压：

2.2升压（boost）斩波电路主电路设计

1）升压斩波电路的原理图如图所示：

图2-2a升压斩波电路原理图

图2-2a中假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。

设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton；V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。

设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为

。

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等

化简得：

（1）

，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

也称之为boost变换器。

表示升压比，调节其大小即可改变Uo。

将升压比的倒数记作β，即

。

β和导通占空比α有如下关系：

（2）

因此，式

（1）可表示为

（3）

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：

L储能之后具有使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住。

2）主电路工作原理

图2-2b主电路工作原理图

其中示波器观察控制电路输出脉冲的宽度和幅值，电压表分别用来测电源、MOSFET、负载的电压。

直流电源需通过电源电路变压整流获得；PMW波由基于SG3525的控制电路产生，以控制MOSFET的通断。

其工作原理已在上面说过。

2.3控制电路设计

随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。

为此，美国硅通用半导体公司推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET。

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于可控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。

此外，控制电路还具有一定的保护功能。

我们采取的是由电压调节芯片SG3525为核心组成的控制电路。

SG3525的管脚如图所示

图2-3aSG3525管脚图

其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，而且设有过流保护电路。

脚5，脚6，脚7有一个双门限比较器，电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端（脚3）。

脚1及脚2分别为芯片误差放大器的反相输入端、同相输入端。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和输入脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

各管脚具体功能如下：

1脚：

误差放大器的反相输入端；

2脚：

误差放大器的同相输入端；

3脚：

同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fs要低一些；

4脚：

振荡器输出；

5脚：

振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs＝1/CT（0.7RT+3R0）,R0为5脚与7脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容围为0.001～0.1μF；

6脚：

振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150kΩ；

7脚：

振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻围为0～500Ω；

8脚：

软启动端，外接软启动电容，该电容由部Vref的50μA恒流源充电；

9脚：

误差放大器的输出端；

10脚：

PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；

11脚：

A路驱动信号输出；

12脚：

接地；

13脚：

输出集电极电压；

14脚：

B路驱动信号输出；

15脚：

电源，其围为8～35V，通常采用+15V；

16脚：

部＋5V基准电压输出。

SG3525芯片部结构如图所示

图2-3bSG3525部结构图

SG3525芯片部集成了精密基准电源、误差放大器、带同步功能的振荡器、脉冲同步触发器、图腾柱式输出晶体管、PWM比较器、PWM锁存器、软启动电路、关断电路和欠压锁定电路。

芯片+5.1V基准电压精度为±1%，由于基准电压值在误差放大器的输入共模围，因此，无须外接电阻。

SG3525可以工作在主从模式，也可以与外部时钟同步。

通过CT端（引脚⑤）与放电端之间的电阻可以设置死区时间。

SG3525采用电压模式控制方式，工作原理波形如图3—11所示。

振荡器输出的时钟信号触发PWM锁存器（Latch），形成PWM信号的上升沿，使主电路的开关器件开通。

误差放大器的输出信号与振荡器输出的三角波信号相比较，当三角波的瞬时值高于误差放大器的输出时，PWM比较器翻转，触发PWM锁存器，形成PWM信号的下降沿，使主电路的开关器件关断。

F/F触发器用作分频器，将PWM锁存器的输出分频，得到占空比为0.5、频率为振荡器频率一半的方波。

1.软启动

SG3525的软启动电容接入端（引脚⑧）上通常接一个5μF的软启动电容。

充电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此，与软启动电容接入端相连的PWM比较器反相输入端处于低电平，PWM比较器输出为高电平。

此时，PWM锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。

只有当软启动电容的充电电压使引脚⑧处于高电平时，SG3525才能开始工作。

2.关断操作

通过引脚⑩（关断端）来关闭SG3525的输出。

当引脚⑩上的信号为高电平时，可以实现两个功能：

PWM锁存器立即动作，同时软启动电容开始放电。

放电电流只有150μA，如果关断信号为短暂的高电平，PWM信号将被中止，但此时软启动电容没有明显的放电过程。

利用这个特点，可以很容易地实现逐个脉冲限幅。

但是，如果引脚⑩上的高电平维持较长的时间，软启动电容将充分放电，当关断信号结束时，将进入软启动过程。

特别要注意的是引脚⑩不应悬空，因为从该脚耦合进来的噪音信号将影响电路的正常工作。

也可以用补偿和软启动引脚来关断SG3525的输出。

由于补偿和软启动引脚部都有上拉电流源，当外部电路有下拉信号时，最大只需吸收100μA的电流就可关断输出。

图2-3cSG3525脉冲图

3.振荡器

在直流降压斩波电路中可以通过调节2脚接的电阻值改变输出脉冲信号的占空比。

1、9脚短接形成反馈，控制2脚经可调电阻器接5V电压即可。

本设计取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，经计算振荡器输出频率是90kHz，PWM输出频率定为45kHz。

直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。

振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。

振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。

或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。

双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极（由脚11和脚14输出），锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。

最后，脚11及脚14分别输出相位相差为180°的PWM波。

在本设计选用的MOSFET是IRF640，它由脉冲发生器产生的PWM信号驱动。

下面是采用SG3525设计的控制电路

图2-3d基于SG3525的控制电路

2.4驱动电路设计

由于SG3525所产生的脉冲不足以驱动MOSFET管工作，还需要采用已TPL250为主控芯片的光耦驱动电路

图2-4基于TPL250的控制光耦驱动电路

2.5保护电路设计

2.5.1过压保护电路

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。

2.5.1.1主电路器件保护

当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图2-5a所示。

图2-5aRC阻容过电压保护电路图

2.5.1.2负载过压保护

如图2-5b所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。

如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。

电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。

图2-5b负载过压保护

2.5.2过流保护电路

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。

由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，对电路中元件的保护。

2.6直流升压斩波电路总电路

总电路图如下图所示（保护电路未加入）。

图2-6BOOST斩波电路总电路图

2.7元器件列表

器件名称

规格型号

数量（单位）

运算放大器

LT1228

3个

光耦合器

TLP250

1个

大电感

1mH

1个

电解电容

------

若干

MOSFET

IRF640N

1个

电阻

------

若干

脉冲发生芯片

SG3525

1块

滑动变阻器

10KΩ

2个

二极管

IN4007

7个

三极管

NPN,PNP

各1个

快速熔断丝

6A/100V

1个

反向二极管

IN4002

2个

3总结

经过两个月的电力电子课程设计，真的是获益不少。

当看到这个任务书的时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了。

于是拿起了课题认真的看了看，结果发现一头雾水，就大概知道一个主电路而已。

而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事，只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的部是怎么接线的。

于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了MOSFET升压斩波电路主电路的设计，在PWM控制技术那一章中掌握了控制电路的设计。

电力电子课程设计不仅让我加深了很多课本上的知识，也让我懂得了很多其它的。

虽然已经会设计电路图了，但把它画出来也不是件容易的事啊。

因为我是用multisim画的，首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常见的器件。

还有一些元件的元件库也没有加载，因为不知道那些元件属于哪个元件库……感觉真的好麻烦啊，后来经过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。

通过这个设计，要做成一个可用的、实际的实物靠得是细节。

以前课本上所学的东西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如何使你设计出来的电路是最简单的，最容易实现的；所用的器件应该用什么型号的才合适等等，都是需要我们在设计过程中要好好考虑的。

参考文献

1．王兆安、进军，《电力电子技术》第五版：

机械工业，2009；

2.邱关源，《电路》第五版；高等教育，2010；

3.王维平，《现代电力电子技术及应用》：

东南大学，1999；

4.石玉、栗书贤，《电力电子技术题例与电路设计指导》：

机械工业；