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电力电子技术课程设计

《电力电子技术》课程设计报告

-----升压斩波电路设计

班　　级：

电气0803

姓名：

学号：

指导老师:

日期:

2011-1-1

升压斩波电路设计

目录

一、课程设计的目的····························3

二、升压斩波电路设计要求······················3

三、升压斩波电路设计方案······················3

（1）升压斩波主电路的设计·······················4

（2）驱动电路····························5

1、驱动电路要求·························5

2、驱动电路的设计··························5

（3）控制电路的设计·························6

SG3525简介····························7

（4）保护电路······························8

1、IGBT保护电路简介·······················8

2、缓冲电路的设计························9

3、过电压、欠电压保护；过电流保护·····················10

（5）利用超前滞后补偿网络对系统进行稳压···············11

（6）主电路参数计算及元件选取······················11

四、参考资料·····························13

五、元器件清单···························13

六、升压斩波电路Protel总原理图··················14

七、课程设计总结··························14

一、课程设计的目的

1、培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养运用知识的能力和工程设计的能力。

4、提高课程设计报告撰写水平。

二、升压斩波电路设计要求

1、输入直流电压：

Ud=40V

2、开关频率100KHz

3、输出电压范围80V~120V

4、输出电压纹波：

小于1%

5、最大输出电流：

5A

6、具有过流保护功能，动作电流：

6A

7、具有稳压功能

8、效率不低于70%

三、升压斩波电路设计方案

在直流升压电路的设计中，Boost升压电路结构简单，可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。

Boost电路只有一个开关管，克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高，不存在桥式电路共态导通等优点。

本文采用Boost斩波电路为直流升压电路的主电路，并以SG3525为控制核心设计了控制电路，其中包括完善的保护电路，当输入电压为DC40V时，输出可基本稳定在DC100V

系统设计框图如图１所示

图1系统设计框图

输出电压经采样及信号调理以后，送至SG3525的10脚，10脚为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，该脚用于故障保护，将反馈信号接到该引脚形成闭环控制。

SG3525产生的PWM波经由隔离驱动电路后驱动Boost斩波电路中的开关器件IGBT，将直流输入电压升压至设定值输出。

（1）升压斩波主电路的设计

升压斩波工作原理

Boost型直流变换器的主电路如图1所示,主电路由全控型器件V（IGBT）、电感L、滤波电容C、二极管VD和负载R组成。

全控型器件的控制脉冲如图2所示

图1升压斩波电路主电路图

V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E（有效值为）和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

首先假设电感L值很大，电容C值也很大。

当V-G为高电平时，Q1导通，40V电源向L充电，充电基本恒定为。

同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值。

设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积储的能量为。

当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。

设V处于段态的时间为，则在此期间电感L释放的能量为。

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即

=（2-1）

化简得

（2-2）

上式中的K为占空比<1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路

电压升高得原因：

电感L储能使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住

实际应用中的升压斩波电路是电流连续的状态：

如图3

图3电流连续升压斩波电路波形

（2）驱动电路

驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。

它将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

 对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号

驱动电路要求：

1）使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义

2）对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现

3）驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离，并且具有良好的抗干扰能力和温度稳定性。

电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。

电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰。

采用电气隔离后，该电路接地时就不会影响整个电网的工作，同时还可通过绝缘监测装置检测该电路对地的绝缘状况，一旦该电路发生接地，可以及时发出警报，提醒管理人员及时维修或处理，避免保护装置跳闸停电的现象发生。

在这电路上的电气隔离主要是为了防止主电路上的高压对控制电路上的影响。

驱动电路的设计：

IGBT驱动电路分类驱动电路分为：

分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。

本设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。

IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。

而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。

用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

采用光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。

采用的光耦是TLP521-1。

为了达到最佳波形，在实物调试过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。

（现各取1KΩ）

图4驱动电路的原理图

（3）控制电路的设计

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。

被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。

芯片的输入电压为8V到35V。

它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。

在ＩＮ＋端接可调输入电阻就能改变ＰＷＭ波的占空比。

在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。

此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。

在SG3525的管脚1、9之间接电阻电容构成超前滞后补偿网络对系统进行稳压。

振荡频率100KHZ。

控制电路的protel设计

电阻电容的取值如图，可得振荡频率：

SG3525简介

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比。

SG3525是定频PWM电路，采用原理16引脚标准DIP封装。

其各引脚功能如图1所示，内部原理框图如

图2所示

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，定时电容范围为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，电阻范围为0～500Ω；

8脚：

软启动端，外接软启动电容，该电容由内部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，其范围为8～35V；

16脚：

内部＋5V基准电压输出

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。

振荡器频率厂由外接电阻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，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，VTl及VT2分别输出相位相差为180°的PWM波。

（4）保护电路的设计

1、IGBT保护电路简介

直流电源中的功率器件IGBT是系统的主要部件，也是最昂贵的部件。

由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。

因此IGBT的保护工作显得十分重要。

保护电路主要有以下几个部分：

（1）输出过压保护电路；

（2）输入过压、欠压保护电路；（3）IGBT短路保护电路；（4）温度保护电路

斩波器的散热设计：

热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统，热管的主要特点：

高效的导热性，高度的等温性，热流密度变换能力强，结构多样灵活、重量轻。

由于IGBT模块的开关频率高，开关损耗大，特别是对大功率IGBT模块，一般普通型材散热器难以满足要求。

热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功率IGBT模块散热。

目前适合于大功率IGBT模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下。

过电流保护电路：