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1、电力电子技术课程设计 任务书 课程名称:直流斩波电路的性能研究 学院:电气学院 专业班级:自动化10 班 姓名:吴学号: 31100800 张31100800 冯31100800 2013年 1 月 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 1 - 目录 摘要 . - 1 - 1 BOOST 斩波电路工作原理 - 2 - 1.1 主电路工作原理 - 2 - 1.2 控制电路选择 - 2 - 2 硬件调试 . - 4 - 2.1 电源电路设计 - 4 - 2.2 升压( boost)斩波电路主电路设计 . - 5 - 2.3 控制电路设计 - 6 - 2.4 驱动电路设计 - 10 - 2.5 保
2、护电路设计 - 11 - 2.5.1 过压保护电路 - 11 - 2.5.2 过流保护电路 - 13 - 2.6 直流升压斩波电路总电路 - 13 - 3 总结 - 15 - 4 参考文献 - 16 - BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 1 - 摘要 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/DC Converter ) ,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
3、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 BOOST
4、 斩波电路课程设计说明书 - 2 - 图 1-1 直流升压斩波电路原理 1 BOOST 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
5、 V 开关周期 , on t 为导通时间, ott t 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
6、如图1-2、图 1-3 所示。 E t T E t tt U offoff offon o BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 3 - 图 1-2 SG3525 脉冲产生电路 图 1-3 TLP250 脉冲驱动电路 2 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 4 - 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
7、输出波形及有关计算公式推导得出,但推导繁琐。 空载时, 2 2UUd 。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 1.2 U2 。 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 R I 为: RUI dR / Rd II BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 5 - 二极管电流 iD 平均值为: 2/2/id Rd II 3) 二极管承受的电压: 2 U2 2.2 升压( boost )斩波电路主电路设计 1)
8、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 offo tIEU 1 。 稳态时,一个周期T中 L 积蓄能量与释放能量相等 o f foon tIEUtEI 11 化 简 得 : E t T E t tt U o f fo f f
9、 o f fon o ( 1) 1/ off tT ,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。 off tT / 表示升压比,调节其大小即可改变Uo 。将升压比的倒数记作, 即 T toff 。 和导通占空比 有如下关系: 1 ( 2) 因此,式( 1)可表示为 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 6 - EEU o 1 11 ( 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、
10、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; 内部含有欠压锁定 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
11、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 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 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 7 - 图 2-3a SG3525管脚图 其中,脚 16 为SG3525 的基准电压源输出,精度可以达到(5.11) V, 而且设有过流保护电路。脚5,脚6,脚7 内有一个双门限比较器,内电容充放电 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 (
12、脚3) 。脚1 及脚2 分别为芯片内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 fs1/CT(0.7RT+3R 0),R0为5脚与 7脚之间跨接的电阻,用来调节死区时间,定时电容范围为0.0010.1 F; 6 脚:振荡器外接定时电阻RT 端,RT 值为2150 k
13、; 7 脚:振荡器放电端,用外接电阻来控制死区时间,电阻范围为0500 ; 8 脚:软启动端,外接软启动电容,该电容由内部Vref的50A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,其范围为 835 V,通常采用 +15V ; 16脚:内部 5 V基准电压输出。 SG3525 芯片内部结构如图所示 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 8 - 图 2-3b SG3525内部结构图 SG35
14、25芯片内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 范围内,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 ) 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311 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
15、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 ) 上通常接一个5F 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
16、有当软启动电容的充电电压使引脚处于高电平时,SG3525才能开始工 作。 2. 关断操作 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 9 - 通过引脚 ( 关断端 ) 来关闭 SG3525 的输出。当引脚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 150 A,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不应悬空,因为从该 脚耦合进来
17、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 内部都有上拉电流源,当外部电路有下拉信号时,最大只需吸收100A 的电流 就可关断输出。 图 2-3c SG3525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 3k,RD=100 ,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 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 10
18、 - 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
19、,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 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 11 - 图 2-4 基于 TP
20、L250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
21、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。 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 12 - 图 2-5a RC 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
22、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以内,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 。 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 13 - 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
23、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) 。 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 14 - 图 2-6 BOOST 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10K 2 个 二极管IN4007 7 个 三极管NPN, PN
24、P 各 1 个 快速熔断丝6A/100V 1 个 反向二极管IN4002 2 个 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 15 - 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内部是怎么接线的。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
25、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。 BOOST 斩波电路课程设计说明书 - 16 - 4 参考文献 1王兆安、刘进军, 电力电子技术 第五版 北京:机械工业出版社, 2009; 2. 邱关源, 电路第五版北京;高等教育出版社, 2010; 3. 王维平, 现代电力电子技术及应用南京:东南大学出版社,1999; 4. 石玉、栗书贤,电力电子技术题例与电路设计指导北京:机 械 工 业 出版社;
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