电力电子设计与实践报告.docx
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电力电子设计与实践报告
电力电子设计与实践报告
题目：
升压斩波电路设计
专业：
自动化
姓名：
陈璐
学号：
2014550109
班级：
14级自动化1班
指导老师：
邓文浪老师
完成日期：
2016年11月10日
“电力电子设计与实践”设计任务书
升压斩波电路（BoostChopper）设计
一、设计目的
1．综合运用所学知识，进行升压斩波电路和系统设计。
通过对升压斩波电路的设计，掌握升压斩波电路的工作原理。
2．了解与熟悉升压斩波电路拓扑、控制方法。
3．理解和掌握升压斩波电路及系统的主电路、控制电路和保护电
路的设计方法，掌握元器件的计算选择方法。
4．具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
二、设计内容及要求
1．设计内容及参数
进行升压斩波电路和系统设计。
设计条件和参数如下：
在输入给定电压Ui=12V的情况下通过斩波电路控制输出电压为18V，电流连续，输出电流为I₀=0.6A。
2．设计要求
（1）理论设计：
了解掌握升压斩波电路电路的工作原理，设计斩波电路电路系统。
包括：
主电路、控制电路、参数计算及元器件选型；功率器件驱动电路、保护电路的设计；画出完整的主电路原理图和控制电路原理图；列出主电路所用元器件的明细表。
（2）仿真实验：
利用MATLAB仿真软件对升压斩波电路系统进行仿真建模，并进行仿真实验。
（3）实际制作：
利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。
最后完成系统电路的组装、调试。
一、设计任务及要求
1.1设计任务
设计一个升压斩波电路，在输入给定电压Ui=12V的情况下通过斩波电路控制输出电压为18V，电流连续，输出电流为0.6A。
1.2设计要求
（1）理论设计：
了解掌握升压斩波电路电路的工作原理，设计斩波电路电路系统。
包括：
主电路、控制电路、参数计算及元器件选型；功率器件驱动电路、保护电路的设计；画出完整的主电路原理图和控制电路原理图；列出主电路所用元器件的明细表。
（2）仿真实验：
利用MATLAB仿真软件对升压斩波电路系统进行仿真建模，并进行仿真实验。
（3）实际制作：
利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。
最后完成系统电路的组装、调试。
1.3设计原理
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。
本设计是用控制电路来产生MOSFET升压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET升压斩波电路工作。
二、DC-DC变换器简介
2.1拓扑
图2-1升压斩波电路原理图
图中所示为DC-DC变换器中的升压斩波电路，假设L和C值很大。
V（MOSFET）处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，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和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量，从而在负载侧得到高于电源的电压。
二极管的作用是阻断MOSFET导通时，电容的放电回路。
2.2工作原理
DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC/DC转换器分为三类：
升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。
根据需求可采用三类控制。
PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。
PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。
目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。
在电路类型分类上属于斩波电路。
而本次设计要做的为升压斩波电路。
所以重点介绍升压斩波电路。
升压斩波电路的工作原理如下：
首先假设电路中的电感L值和电容C值非常大。
当开关器件V处于导通状态时，支相当于短路，电源E向电感L充电，电感相当于一个电阻，所以充电电流基本恒定为I。
同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，C上电压基本保持恒定，所以输出电压Uo也基本保持为恒定值。
假设V处于导通状态的时间为Ton，则在此时间内，电感L上积蓄的能量为
。
当开关器件V处于断开状态时，支路相当于断路。
电源E和积蓄一定能量的电感L共同向电容C充电，同时向负载R提供能量。
假设V处于断开的时间为Tof，则在此时间内电感L释放的能量为
。
由于能量守恒，当电路工作在稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等
，即
（1-1）
因T/TOF>1,故U0>Ud，即通过调节开关频率可以实现升压的要求。
升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：
① L储能之后具有使电压泵升的作用。
② 电容C可将输出电压保持住。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。
2.3功能介绍
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。
用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20~30）%。
直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
而升压斩波是输出电压大于输入电压的直流斩波电路。
2.4应用介绍
直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。
这里主要介绍升压斩波电路的典型应用：
（1）用于直流电动机传动：
通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。
此时电机的反电动势相当于电路中的电源，而此时的直流电源相当于电路中的负载。
由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
（2）用作单相功率因数校正（PFC）电路
（3）用于其他交直流电源中
三、设计方案
直流斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。
3.1主电路设计方案
主电路电路图如图3-1：
图3-1升压斩波电路主电路
由上图可以看出，主电路主要由电源、电阻、电感、电容、二极管和MOSFET等器件构成。
电源E=12V，因为要求输出电压为18V，电流为0.6A，所以电阻R选用30欧姆，L为电感，C为电容，VD是二极管，V是全控型器件，选用MOSFET。
主电路模块主要由全控器件MOSFET的开通与关断的时间占空比，来决定输出电压Uo的大小。
3.2控制电路设计方案
控制电路：
此电路主要用来产生控制信号。
产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路。
本设计采用STC12C5A60S2单片机产生PWM信号。
图3-2STC12C5A60S2单片机引脚图
图3-3控制电路接线图
控制过程为，设计程序导入到单片机中，输出该实验所需占空比为33.33％的PWM波。
所以控制电路的难点在于程序的设计。
通过查阅资料以及芯片手册，设计程序如下：
#include "STC12C5A.h"//STC12C5A60S2单片机头文件，里面对单片机内部的寄存器地址都定义了
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
voidmain（）
{
CCON=0X00;//PCA模块的低8位
CH=0;//PCA模块的高8位
CL=0;//PCA模块的低8位
CMOD=0X08;//PCA模块寄存器的时钟不分频
CCAP0L=0xAA;//PCA模块0捕获寄存器0的低8位
CCAP0H=0xAA;//PCA模块0捕获寄存器0的高8位
CCAPM0=0x42;//8位PWM输出,无中断
CR=1;//PCA计数器启动控制位,写"1"启动计数器
while
（1）;//死循环，不让程序结束
PWM脉宽调制输出工作原理：
在PCA定时器启动的时候，CL（PCABaseTimerLOW）将从0xff在一定时钟频率（Fosc）下递减至0x00,在递减的过程中，不断与CCAP0L（PCAModule-0CaptureRegister）的值比较，大于等于CCAP0L时，相应PWM引脚输出高电平，小于CCAP0L的值时，输出低电平，当递减到0x00时，产生数据溢出，溢出后，单片机相应寄存器将CCAP0H（PCAModule-0CaptureRegister）中的值传递给CCAP0L，CL继续由0xff递减。
所以，程序中，只要修改CCAP0H的值，就可以实现对脉宽输出的调节。
由此也就实现了引脚电平的数字脉宽输出。
其中，脉宽的大小及频率由CL的初值与时钟频率来控制。
脉冲占空比的计算公式为
=（256-CCAP0L）/256*100%，此次我们要输出的
=33.33%，所以取CCAP0L得值为0xAA。
在上面的寄存器中，我们需要设置CCON=0x00,即不启用PCA中断。
设置CCAP0L=0x42，即8位PWM输出，无中断。
而CMOD的值可用于调整PWM的输出频率。
CMOD调整的是PCA模块的时钟，分频越多，溢出的越慢，频率约低。
而CL的值可直接调整溢出的频率，从而直接调整输出的频率，CH的值与CL的值相等即可。
本次程序写CMOD=0X08，PCA模块的输入时钟不分频，从而得到最大的输出频率。
最后写CR=1即启动计数器。
从而以上的程序即可输出一个频率和占空比可调的PWM波。
3.3驱动电路设计方案
驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：
（1）提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE 管可靠的开通和关断；
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；（4） 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；（5）具有灵敏的过流保护能力。
驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，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。
驱动电路一方面将控制信号放大，另一方面提供电气隔离，保护控制电路。
电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。
但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw 的电力电子装置。
美国IR公司生产的IR系列驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。
根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET 管开关特性,选择驱动芯片IR2104来实现驱动。
驱动芯片IR2104的基本参数：
峰值输出电流0.36A；最大下降时间：
90ns；最大升压时间：
170ns。
根据以上参数可知该驱动芯片完全符合本设计要求。
图3-3IR2104引脚图
单片机产生的PWM由2脚引入驱动芯片，通过7脚输出去驱动功率开关管。
3.4电路设计图
总电路设计图如图3-4：
图3-4总电路设计图
左边为控制电路，是由单片机构成的，根据编写的程序，是由P1.3口（4引脚）输出PWM，然后接入驱动电路，图3-4的右上角IR2104的2引脚，接入驱动电路后，输出接MOSFET的栅极（G），就可对MOSFET进行开通关断控制。
四、软硬件设计
4.1硬件设计
4.1.1功率器件参数计算及选型
MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。
MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
（1）功率MOSFET的工作原理：
截止：
漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：
在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。
但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
（2）功率开关的选择（IRF540）：
当功率开关处于断开状态时，输出侧电加在开关两端为18V，要求输出电流为0.6A，则流过开关管的最大的电流Imax=1.1I₀=0.66A。
因此，对开关管的选择要求为耐压值大于24V，最大电流大于0.66A即可。
选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其耐压值为100V，可流过的最大电流为22A，导通电阻仅为77mΩ。
因此完全满足电路的要求。
4.1.2电路中其他元器件参数计算及选型
（1）12V输入直流电源：
作为直流输入。
（2）续流二极管的选择：
（SR240型肖特基二极管）：
当开关管导通的时候，直流侧输出侧电压直接加在二极管两端为18V，流过二极管的最大电流即为电感电流的最大值0.66A，因此需要选择方向击穿电压打于24V（一般选择大于其两倍即48V）。
选择SR240型肖特基二极管作为续流二极管，其允许通过的最大平均电流为2A，反向击穿电压为40V（实际上应该比这大1.5倍左右），其导通压降小，并且恢复时间短，所以完全能满足电路要求。
（3）电感的选择：
通过对整个电路进行分析计算
（4-1）
（4-2）
（4-3）
为开关导通是的KVL方程为开关断开时的KVL方程
联立可解得电感的计算公式为下式
（4-4）
一般取其中
所以选择工字功率电感（1016-417k）470uH/2A
（4）滤波电容的选择（220uF/25V的电解电容）：
该电容需要滤掉主要的开关纹波，其计算公式为：
（4-5）
式中ΔUc为所要求的输出电压纹波的要求，Lf为计算的电感，这里涉及没有对纹波有具体的要求，所以电容C足够大，另外，所以应该尽量降低ESR。
根据以上两点，可以取两个220uF/25V的电解电容并联，此举可得到需要的电容量，也可得到较低的ESR。
4.2软件设计
软件设计由matlab仿真、Keil和Protel三大部分构成。
matlab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。
Keil用来设计单片机的程序，使其产生PWM波。
Protel软件是用来设计PCB电路图。
（1）通过matlab搭建电路进行仿真，通过看结果是否符合设计要求验证设计方案是否合理。
详见第五章仿真建模。
（2）利用Keil设计单片机程序产生PWM波。
控制单片机工作的语言是C语言，设计程序用于产生一路PWM波。
将程序编译完成后编程二进制的文件烧写进单片机中，单片机用的是STC12C5A60S2,因为其中有PWM模块，只需要写某些寄存器，就能输出PWM波。
最后设计出的程序如下：
#include "STC12C5A.h"
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
voidmain（）
{
CCON=0X00;
CH=0;
CL=0;
CMOD=0X08;
CCAP0L=0xAA;
CCAP0H=0xAA;
CCAPM0=0x42;
CR=1;
while
（1）;
（3）利用搭建好的电路，用Protel设计PCB电路图，便于进行硬件制作。
根据电路原理图和控制电路原理图，设计PCB印刷电路板如下：
图4-2PCB电路图
五、仿真建模
5.1仿真模型搭建
根据直流升压变流器原理图建立变流器的仿真模型5-1所示：
图5-1升压斩波电路的仿真模型
simulink 仿真模型图中DC voltage source 是电压源，提供12V的直流电压。
L为电感。
Diode为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动。
C为电容。
MOSFET为斩波器件，R为负载
表5-1：
图示的电路模型各个模块的名称及提取路径
模块名
提取路径
直流电压源
SimPowerSystems/Electrical source
示波器scope
Simulink/Sinks
二极管模块
SimPowerSystems/PowerElectronics
MOSFET
SimPowerSystems/PowerElectronics
串联RLC支路
SimPowerSystems/Elements
电压表模块
SimPowerSystems/Measurement
电流表模块
SimPowerSystems/Measurement
Powergui模块
SimPowerSystems
5.2模块参数设计
根据设计要求输入电压12V,输出电压18V，所以经过计算可以得出占空比为33.33%。
输出电流为0.6A,所以负载电阻为30欧姆。
电感选用470mH,电容为两个220uF并联。
所以在模型中设置仿真参数：
（1）设置电源E电压为12V。
（2）电容的值为220µF。
（3）MOSFET和二极管的参数可以保持默认值。
（4）选L的值为470uH。
（5）脉冲发生器脉冲周期T=3e-5，脉冲宽度为33.33%。
（6）电阻参数为30欧姆。
各参数设置图如下：
图5-2输入电压参数设置图
图5-3电容参数设置图
图5-4电感设置图
图5-5脉冲发生器参数设置
图5-6阻容参数设置
5.3仿真波形及分析
开始时输出的波形超调有点严重并且纹波比较大。
通过翻阅资料，发现通过减小PI控制器（反馈）中P的值并且增大I的值可以减小超调量，通过增大滤波电容的值能减小纹波，通过不断调试后得到了最终的输出波形。
图5-7PIController的参数设置
通过改变反馈调整输出电压波形，主要是减少超调和纹波，最后输出电压波形如下：
图5-8输出电压Uo波形
输出电压最终稳定于18V,满足设计要求。
5.4仿真中遇到的问题及解决方案
（1）由于对matlab软件的不熟悉，搭建好电路开始仿真时总是报错，不管怎么改电路都是处于错误状态，后来经过查找关于matlab应用资料发现当在Simulink下进行电力电子仿真时需要添加一个电力系统图形化用户接口（Powergui），Powergui模块具有可视化的功能,还具有一个非常优秀的特点:
改变系统中的参数,可以通过图形来观察由于参数改变而引起的变化。
（2）对于升压斩波电路反馈电路不熟悉，设计存在困难，但经过助教的指导和同学的帮助，最后完成这部分电路的设计。
六、实验装置制作及调试
6.1实验装置制作
6.1.1主电路的制作
按照所画的PCB图对主电路进行布局，然后进行焊接，焊接时要注意的问题有：
（1）二极管的正负极：
黑色的部分是阳极，灰色部分是阴极。
（2）电解电容是有正负极的，长的那一端为正。
（3）MOSFET（IRF540）的引脚要弄清楚，不能接错。
图6-1IRF540引脚图
焊接时，因为电路较为简单，所以没有用导线，选择了走锡，这样易于线路的检查。
6.1.2控制电路的制作
控制电路是采用STC12C5A60S2单片机产生PWM波的，硬件制作时为了方便，买了单片机最小系统，所以这一部分不用在焊接在电路板上，只要把烧好程序的单片机芯片放入单片机最小系统（注意引脚标号，不要把单片机放反）。
而输出口可用杜邦线引出接驱动电路。
6.1.3驱动电路的制作
驱动电路采用的是IR2104，由于买的是贴片式的，所以用了一片PCB板把芯片焊上去，焊的时候注意芯片的引脚，然后用利用排针插入底座。
然后利用杜邦线和排针接线，2引脚接控制电路的输出，7引脚为驱动电路的输出接MOSFET（IRF540）的栅极（G），3引脚是使能端，要接高电平。
6.1.4实物制作图
图6-2正面实物图
图6-3反面实物图
6.2电路检验及调试
6.2.1线路检查
线路检查适用于主电路，主要检查有没有线路连接错误、虚焊或者把要分离的端子焊在一起，用万用表的二极管档来检测，测试通了会滴滴响，不通的就没有声音。
检查电路没有错误后，进行上电检验。
6.2.2上电检验及调试
（1）控制电路检验：
单片机最小系统输入5V直流电源，为了方便，直接从电脑USB接口引出，用示波器测输出（P1.3口）波形。
出现问题：
输出应为占空比为33％的矩形波，然而实际测出波形的占空比大约为42％，与设计方案有差距。
调试过程：
经过不断的检查与测试，发现原来是单片机最小系统所带晶振大小的问题，设计方案中控制电路所编写的程序是按照12M晶振计算的，而实际使用使用的晶振频率为11.0592MHz，所以程序应改写为：
#include "STC12C5A.h"
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
voidmain（）
{
CCON=0X00;
CH=0;
CL=0;
CMOD=0X08;
CCAP0L=0x95;
CCAP0H=0x95;
CCAPM0=0x42;
CR=1;
while
（1）;
修改程序后，输出P波的占空比为33.62％，基本满足所需占空比要求。
所以该问题的解决办法为修改程序，使占空比满足所需。
（2）驱动电路上电检测：
驱动电路上电要注意的问题是驱动芯片IR2104的驱动电源应接直流12V，使能端3引脚的高电平可接直流5V，可用杜邦线将单片机的电源接到3引脚。
还有一个要注意的问题是单片机和驱动芯片要共地。
上电后，用示波器检测输出（7引脚）波形。
出现问题：
没有出现驱动波形。
调试过程：
用万用表检查驱动芯片有没有出现焊接错误，因为用的是贴片式的，所以怕焊接时出现问题，检查发现并没有焊错，而是3引脚的底座与用的排针没有焊接，导致使能端没有置于高电位，驱动芯片没有工作，焊接好以后，检测输出波形如图7-2，符合设计要求。
所以该问题的解决方法是认真检查电路，有时问题往往出现在最简单的地方。
（3）主电路上电检测：
把12V的直流电源接到主电路，这时控制电路和驱动电路也要接入，用来开断MOSFET，首先看电路中有没有器件迅速发烫的现象，如果有，马上断电，因为可能出现错误使得器件烧坏。
检查电路没有发烫现象后，用示波器测量输出电压波形。
出现问题：
输出电压波形纹波过大，如图6-4：
图6-4调试前输出电压波形图
调试过程：
纹波过大，判断可能是由于电容过小导致，往主电路中又
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