电力电子课程设计MOSFET升压斩波电路设计.docx

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电力电子课程设计MOSFET升压斩波电路设计

电力电子实训报告

课程名称　电力电子技术

题目MOSFET升压斩波电路设计

专业班级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

学号：

指导老师:

日期:

引言

本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boostchopper），Protel原理图设计系统以其分层次的设计环境，强大的元件及元件库的组织功能，方便易用的连线工具，强大的编辑功能设计检验，与印制电路板设计系统的紧密连接，自定义原理图模板高质量的输出等等优点，和丰富的设计法则，易用的编辑环境，轻松的交互性手动布线，简便的封装形式的编辑及组织，高智能的基于形状的自定布线功能，万无一失的设计检验等印制电路板设计系统的优点，使其在我们学生选用PCB电路板设计软件中占了绝大部分比重。

本设计也采用Protel设计原理图，和进行PCB板布线。

它是本设计从理论到实际制作的必进途径，通过设定相应的规则，足以满足设计所要求的规定。

通过电力电子系统实训达到以下几个目的：

1.培养学生文献检索的能力；

2.培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；

3.培养学生运用知识的能力和工程设计的能力；

4.提高学生的电力电子装置分析和设计能力。

1.升压斩波工作原理

1.1主电路工作原理

1）工作原理

假设L和C值很大。

V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。

2）数量关系

设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为

设V断态的时间为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：

T/toff>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

1.2晶闸管的触发电路

作用：

产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1、触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）

2、触发脉冲应有足够的幅度

3、不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内

4、应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离

图1-2　理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t1~t2−脉冲前沿上升时间（<1μs）　t1~t3−强脉宽度IM−强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4−脉冲宽度　　I−脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

图1-3常见的晶闸管触发电路

ØV1、V2构成脉冲放大环节

Ø脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节

ØV1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出

触发脉冲

ØVD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其

储存的能量而设

1.3驱动电路

Ø驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

•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

•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

Ø驱动电路的基本任务：

•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

Ø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

• 光隔离一般采用光耦合器

•  磁隔离的元件通常是脉冲变压器

图1-3　电力MOSFET的一种驱动电路

图中是一种采用光耦合隔离的由V2、V3组成的驱动电路。

当控制脉冲使光耦关断时，

光耦输出低电平，使V2截至，V3导通，MOSFET在DZ1反偏作用下关断。

当控制脉

冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使V2导通，V3截至，经VCC、V2、RG产生的.

正向驱动电压使MOS管开通。

电源+VCC可由DC/DC芯片提供。

电力MOSFE的一种驱动电路：

电气隔离和晶体管放大电路两部分；无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压；当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。

在升压斩波电路中，主电路和控制电路共地，所以驱动不用隔离。

在降压斩波电路中则需要在控制电路和主电路之间加隔离。

本实验装置中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，在加一级推挽电路进行放大。

为了得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。

1.3.1其他驱动电路：

SCR驱动电路和GTO驱动电路的设计

图1.3.1带隔离电压器的SCR驱动电路

当控制系统发出高电平驱动信号加至晶体管放大后，变压器Tr输出的脉冲电流Ig触发SCR导通。

当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、Dz续流，Tr的一次电压速降为零，放置变压器饱和。

图1.3.2GTO的基本驱动电路

T1、T2导通时，GTO被触发；T1、T2关断和SCR1、SCR2导通时，GTO门极与阴极间流过负电流而被关断。

由于GTO的开通和关断均依靠于一个独立电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲。

图1.3.3GTO基本驱动电路2

导通和关断用两个独立电源，开关元件少，电路简单

1.4控制电路的设计

SG3525的引脚

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

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。

图1.4控制电路的protel设计

二、升压斩波电路的主电路设计

图2.1升压斩波电路主电路图

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，12V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，记为

。

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

，输出电压高于电源电压。

式（2-1）中

为升压比，调节其大小即可改变输出电压

的大小。

三课程设计总结

现在我们所使用到能源中电能占了很大的比重，它具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。

我们的日常生活已经离不开电了。

在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。

而《电力电子技术》正是与这一主题相关联的。

直流升压斩波电路是里面的一部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。

在做课程设计的这段时间里，通过不断地查找资料，最升压斩波电路有了一定的理解。

并在protel中绘制了原理图。

经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实物。

设计体会

六个课时的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流电机斩波电路的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。

通过这次设计加深了我对这门课程的了解，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。

但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。

通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。

另外，在使用protel软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。

从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。

上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。

也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

参考文献

［1］王兆安,黄俊.电力电子技术（第四版）.[北京]:

机械工业出版社,2000

［2］康华光,陈大钦.电子技术基础（第四版）.[北京]:

高等教育出版社,1998

［3］张义和.ProtelDXP电路设计快速入门.[北京]:

中国铁道出版社,2003

[4]张乃国．电源技术．北京：

中国电力出版社，1998

[5]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：

科学出版社，2001

[6]阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：

科学出版社，2000

[7]陈汝全．电子技术常用器件应用手册．机械工业出版社

[8]陈礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005．