电力电子课程设计升压斩波电路.docx
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电力电子课程设计升压斩波电路
信息工程学院
电力电子学课程设计报告书
题目:
升压斩波电路设计
专业：
电子信息科学与技术
班级：
0309412
学号：
030841004
学生姓名：
王哲
指导教师：
钟建伟
2012年05月09日
信息工程学院课程设计任务书
学生姓名
王哲
学号
030841004
成绩
设计题目
升压斩波电路设计
设
计
内
容
直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.直流波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。
本次需要设计一个升压斩波电路，并符合下面的设计要求。
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%
时
间
安
排
2012-5-9———2012-5-11
参
考
资
料
[1]陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术（第二版）北京：
高等教育出版社，2004
[2]王兆安，刘进军．电力电子技术（第5版）.北京：
机械工业出版社，2009.5
[3]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:
中国电力出版社，2008
[4]赵良炳．现代电力电子技术基础．北京：
清华大学出版社，1995
[5]贾好来.EXB841对IGBT的过流保护研究.太原理工大学学报，1007-9432（1999）06-0610-04
[6]纪相普,于谅.基于SIMULINK的BUCK型PFC装置仿真上海大学学报（自然科学版）1007-2861（2001）05-0461-04
摘要
直流斩波电路（DCChopper）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（DCChopper）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，包括6种基本斩波电路：
降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
本设计为升压斩波电路BoostChopper。
升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC）电路，三是用于其它交直流电源中。
关键词：
DC/DCConverter；直流斩波；升压；BoostChopper；典型应用。
1设计任务与方案
1.1设计任务
要求设计一个输入直流电压：
Ud=40V、开关频率100KHz、输出电压范围80V-120V、输出电压纹波：
小于1%、最大输出电流：
5A、具有过流保护功能，动作电流：
6A、具有稳压功能、效率不低于70%的升压斩波电路，以满足课程设计的要求。
1.2设计方案
由于升压斩波电路可以将任意可调的直流电转换为稳定的另一直流电压，也可以将任一稳定的直流电压转换为可调范围输出，根据题目要求，主电路采用BoostChopper。
通过合适的选取电阻和电感的大小并采用调节占空比的方法调节输出电压的大小；通过合适的选取电容的值达到纹波指标，同时稳定输出的电压。
另外加上合适的过流保护电路防止器件的损坏。
电路图如下所示：
图1：
直流升压斩波电路
图2：
过流保护电路
2总体设计
2.1主电路设计
2.1.1原理分析
电路结构和升压原理：
图3：
Boost变换器电路
为了获得高于电源电压
的直流输出电压
，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如图3（a）所示。
在开关管T关断时，利用图3（c）中电感线圈L在其电流减小时所产生的反电动势
（在电感电流减小时，
为正值）与电源电压
串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压
的直流电压
。
图3（a）就是在这一思想启发下，利用一个全控型开关管T和一个续流二极管加上电感、电容构成的直流／直流升压变换器———BoostDC/DC变换器。
BoostDC/DC变换器是输出直流电压平均值
高于输入电压
的单管不隔离直流变换器，图3（a）中，Boost变换器中电感L在输入侧，称为升压电感。
开关管T仍为PWM控制方式，和Buck变换器一样，Boost变换器也有电感电流连续和断流两种工作方式，图4（e）和（f）给出了这两种工作方式下的主要波形图。
图3（b）、（c）、（d）为Boost变换器在不同开关状态时的等效电路。
当电感电流连续时，Boost变换器存在两种开关状态，如图3（b）和（c）所示；而当电感电流断流时，Boost变换器还有第三种开关状态，如图3（d）所示。
图4Boost变换器主要波形
2.2.2参数计算
这里取
=0.5A，
=5A.根据设计要求，需要将电感电流工作在连续状态，由式
得到
。
当
=80V时，D=0.5；当
=120V时，D=0.667。
即占空比的变化范围是0.5~0.667。
临界负载电流：
D=1/3时，
有最大值。
这里取最接近的D=0.5。
令最小负载电流大于临界负载电流，则：
，代入题目要求的值，取
=120V，可算出
.这里可取大一点的值，取1.2倍大小，令
。
验算：
当
，D=0.5时，算出临界负载电流为：
=0.42A<
=0.5A。
确保了电感电流连续，符合设计方案初衷。
可取
，由输出纹波要求，可进一步计算出
.为留一定裕量，取C=
。
验算：
当C=
，D=0.5时，
时：
，满足设计要求。
2.2保护电路
电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流，造成开关器件的永
久性损坏。
过电流在过载和短路两种情况下发生。
图5给出电力电子变换器系统中常采用的
过电流保护措施及各种保护的配置位置。
通常电力电子变换器系统均同时采用几种过流保护措
施，以确保保护的可靠性和合理性。
所选择的几种过流保护措施应相互协调配合，各尽所能。
通
常选用电子保护作为延时最短、但动作阈值最高的一级保护，当电流传感器检测到过电流值超过
动作电流整定值时，电子保护电路输出过流信号，封锁驱动信号，关断变换器中的开关器件，切断
过流故障。
图5过流保护措施及保护配置
3SimPowerSystem仿真
Boost变换器仿真图如下（使用MatlabSimulink）：
说明：
鉴于加入过流保护电路会较为复杂，这里没有绘制过流保护电路，仅对主电路部分进行仿真且不会影响到仿真结果。
图6：
占空比为50%时，输出电压最小值，平均为79.86V
图7：
占空比为66.7%时，输出电压最大值，平均为119.6V
3.1仿真波形
参数配置：
C=
，
，
；
=40V，
；占空比调节范围：
50%~66.67%。
电感电流工作在连续模式，通过调节占空比可以使
的平均值在79.86V~119.6V之间变化，且
平均值为4.98A。
最大值分别可达到80V、120V和5A。
示波器分别测量的是：
采样信号、电感的电压电流、负载的电压电流以及二极管和MOSFET两端的电流。
下面为具体仿真波形，已调节至观察状态。
仿真时间为1s,算法是ode23t。
3.1.1占空比为50%
3.1.2占空比为58.33%
3.1.3占空比为66.67%
3.2结果分析
从以上不同占空比下的仿真波形图可以看出，占空比的调解与输出电压的大小基本完全成正比，有很好的线性度。
由于选择的电容和电感的选择均留有裕量，使得输出电压的波形稳定，观察的纹波鱼计算值一致，不到1%。
输出电流的最大值刚好是5A，最小的为3.15A，平均值值在这之间随着占空比的增加而增大。
在占空比为最大值0.667时，电感电流以及MOSFET和DIODE的峰值电流均达到了15A。
由于是在理想的环境中仿真，输入的能量等于输出的能量，见证了能量守恒。
电路的最小输出功率为266W，最大输出功率为600W，输入的仿真计算值为264W和600W，理想仿真环境下得到的效率基本为100%。
综上所述，各项性能指标均符合要求。
加上保护电路后即可圆满完成设计。
4总结
通过本次设计，进一步熟练了MATLABSIMULINK工具的使用，对于电力方面的模块SimPowerSystem有了初步的了解和感性的认识。
在赞叹MATLAB功能强大的同时也发现自己的渺小，工具箱里的东西有很多是不会使用的。
对WORD软件和公式编辑器也更加的熟悉，通过严格的格式要求，体会到了做设计的辛苦，更多的时间是花费在了整理文档上。
从开始拿到题目的不知所措，到后来一步步翻阅书籍、查找资料、研读相关知识，到最后做出来，每一个过程都付出了辛劳和汗水，充满了惊喜和冒险。
刚开始由于思路加上计算上的错误，导致做了一天的无用功，让我学会了每一步设计都需谨慎和认真，碰到问题学会解决问题的方法。
由于之前都没做过这方面的东西，在电路分析方面也没多少经验，现在发现电力电子是门很有用的学科，尤其在电力系统中担任关键角色。
分析方法和分析工具在很多领域都是相通的。
在以后的学习中，我会注意这方面与其它学科之间的联系的加强，提升思维上的层次、弥补自身的不足。
参考文献
[1]陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术（第二版）北京：
高等教育出版社，2004
[2]王兆安，刘进军．电力电子技术（第5版）.北京：
机械工业出版社，2009.5
[3]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:
中国电力出版社，2008
[4]赵良炳．现代电力电子技术基础．北京：
清华大学出版社，1995
[5]贾好来.EXB841对IGBT的过流保护研究.太原理工大学学报，1007-9432（1999）06-0610-04
[6]纪相普,于谅.基于SIMULINK的BUCK型PFC装置仿真上海大学学报（自然科学版）1007-2861（2001）05-0461-04
附录：
仿真报告
SimPowerSystemsReport.
generatedbypowergui,
11-May-200717:
46:
04
Model:
C:
\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\电力电子\boost.mdl.
[1]Steady-StateVoltagesandcurrents:
Statesat0Hz:
6.0233e-015V--->'Uc_C'
4.0000e-004A--->'Il_L'
4.0000e+001V--->'Uc_snubber:
Diode'
Measurementsat0Hz:
Sourcesat0Hz:
4.0000e+001V--->U_DCVoltageSource
Nonlinearelementsat0Hz:
4.0000e+001V--->U_Mosfet/IdealSwitch
4.0000e+001V--->U_Diode
-4.0000e+001V--->U_Mosfet/Diode
NONLINEARELEMENTS（systeminputs）:
0.0000e+000A--->I_Mosfet/IdealSwitch
0.0000e+000A--->I_Diode
0.0000e+000A--->I_Mosfet/Diode
[2]InitialvaluesofStatesVariables:
1'Uc'C=6.0233e-015V
2'Il'L=4.0000e-004A
3'Uc'snubber:
Diode=4.0000e+001V
元器件清单
Unitspecified:
OMU
rlcmatrix:
Node_1Node_2TypeR（ohms）L（mH）C（uF）/U（V）Branch#Blockname
------------------------------------------------------------------------------------
43S00321C
12S00.1802L
43S24003R
23S1e+005004snubber:
Mosfet/IdealSwitch
24S50000.255snubber:
Diode
Numberofnodes:
4
Numberofbranches:
5
Numberoftransformers:
0
Numberofmutuals（inductivecoupling）:
0
NumberofVoltagesources:
1
Numberofcurrentsources:
3
Numberofswitches:
3
Sourcematrix:
Node1Node2U/IMag.PhaseFrequencyTypeBlockname
（0/1）（V/A）（degrees）（Hz）
--------------------------------------------------------------
2310001Mosfet/IdealSwitch
2410003Diode
3210003Mosfet/Diode
130400021DCVoltageSource
Switchmatrix:
Node1Node20/1R.L.I#U#Switchtype
------------------------------------------------------
2301e-008011IdealSwitch
2401e-007022Diode
3200.01033Diode
Totalnumberofinductancesandcapacitors:
3
Outputexpressions:
y_u1=U_Mosfet/IdealSwitch
y_u2=U_Diode
y_u3=U_Mosfet/Diode
y_u4=Ub:
L
y_u5=Ub:
R
y_i6=Ib:
L
y_i7=Ib:
R
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