60W boost电路的设计.docx
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60Wboost电路的设计
电力电子技术课程设计
课题：
60Wboost电路的设计
班级电气学号
姓名
专业电气工程及其自动化
系别电子与电气工程学院
指导教师陈万
2015年6月
5.1IGBT对驱动电路的影响............................................................................................14
5.2驱动电路基本原理...................................................................................................14
六、结论.......................................................................................................................................16七、心得体会...............................................................................................................................16八、附录
一、总体设计思路
1.1设计目的
升压斩波电路是最基本的斩波电路之一，利用升压斩波电路可以实现对直流的升压变化。
所以，升压斩波电路也可以认为是直流升压变压器，升压斩波电路的应用主要是以Boost变换器实现的。
升压斩波电路的典型应用有：
一、直流电动机传动，二、单相功率因数校正（PowerFactorCorrectionPFC）电路，三、交直流电源。
直流升压斩波电路的应用非常广泛，原理相对比较简单，易于实现，但是，设计一个性能较好变压范围大的Boost变换器并非易事，本设计的目的也就在于寻求一种性能较高的斩波变换方式和驱动与保护装置。
1.2实现方案
本设计主要分为五个部分：
一、直流稳压电源（整流电路）设计，二、Boost变换器主电路设计，三、控制电路设计，四、驱动电路设计，五、保护电路设计。
直流稳压电源的设计相对比较简单，应用基本的整流知识，该部分并非本设计的重点，本设计的重点在于主电路的设计，主电路一般由电感、电容、电力二极管、和全控型器件IGBT组成，主电路的负载通常为直流电动机，控制电路主要是实现对IGBT的控制，从而实现直流变压。
主电路是通过PWM方式来控制IGBT的通断,使用脉冲调制器SG3525来产生PWM的控制信号。
设计主电路的输出电压为75V，本设计采用闭环负反馈控制系统，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。
图1-1原理框图
二、直流稳压电源设计
2.1电源设计基本原理
在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。
这次设计的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50Hz、有效值为220V的单向交流电压转换为幅
值稳压、输出电流为几十安以下的直流电压。
其基本框图如下：
图2-1直流稳压电源基本框图
图2-2波形变换
2.1.1变压环节
由于直流电压源输入电压为220V电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处理。
变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。
2.1.2整流环节
变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。
可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。
应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。
2.1.3滤波环节
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
对于稳定性不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。
本设计采用LC滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。
二极管的导通角
较大，整流管的冲击电流较小。
2.1.4稳压环节
虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值，所以电网电压波动时，输出电压平均值也随之产生；另一方面，由于整流电路内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化。
因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。
为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。
2.2稳压电源总电路设计
2.2.1总电路图
图2-3稳压源主电路
2.2.2电路工作原理
变压电路将220V市电经过电源变压器降压后，变成15V左右的低幅交流电。
再通过整流电路将交流电流整流，将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。
然后通过LC滤波电路滤波，是输出电压平缓。
最后通过稳压电路稳定输出电压，采用具有放大环节的串联型稳压电路稳定输出电压，该电路可调节输出电压，集成运放工作在深度负反馈，输出电阻趋于零，因而电压相当稳定。
2.2.3直流稳压电源的相关参数
对于直流稳压电源的设计，要考虑到其中几项重要参数，如输出电压，输出电流的平均值，以及脉动稳定系数等。
对于输入电压，稳压管和限流电阻的选择也是不可忽视的。
在此章节对其进行相关计算和总结。
（1）.输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值
。
=
sinωtd（ωt）
推导计算得
=
≈0.45
负载电流的平均值
=
≈
将整流输出电压的基波峰值
与输出电压平均值
之比定义为整流输出电压的脉动系数S，即可得出：
S=
/
则单项桥式整流电路，输出电压的平均值
=
sinωtd（ωt）=
≈0.9
由此推出输出电流的平均值
=
≈
（2）滤波电路输出电压平均值
=
由此可推出脉动系数
（3）对于任何稳压电路，均可用稳压系数
和输出电阻
来描述其稳压性能。
定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即
常数
常数
表示电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。
式中
为整流滤波后的电流电压。
稳压电路输入电压
的选择
一般选取
=（2~3）
为输出电阻，是稳定电路输入电压输入一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比，即
表示负载电阻对稳定性能的影响。
三、Boost主电路设计
3.1Boost电路工作原理
当开关S在位置a时，如图5所示电流iL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。
此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，极性上正下负。
由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。
开关S转换到位置b时，构成电路如2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持iL不变。
这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源Vs串联，以高于Vo电压向电容C、负载R供电。
高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降压趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变。
图3-1升压斩波电路
3.1.1各元器件功能
Q开关管IGBT。
D截流二极管,在Ton时防止C中电路流过Q。
L升压电感，起储能及电压提升作用。
C输出滤波电容，起储能作用。
3.1.2工作原理
Q
D
L
C
Q导通时
截止，防止Vc作用于Q
自感电动势与Vin相反,随iL值上升L储能增加
放电
Q关闭时
导通，使Vin和L之叠加的高电压作用于C及负载
自感电动势与Vin相同并叠加升压作用于C与负载,随iL值下降L释放能量
充电
注：
该电路不能空载，否则会因L上积累的能量不能消耗而导致开关器件损坏。
3.1.3电路各点波形
电感电流连续电感电流不连续
3.1.4电感电流连续与不连续之分析
（1）特性比较
项目
电感电流连续
电感电流不连续
出现条件
L及PO值适当，
在Q导通前L中仍有能量存在
L值过小或PO过小，
在Q导通前L中有能量已完全释放。
输出电压纹波
小
大（须较大C值方能减小）
输出电流纹波
小
大（须较大C值方能减小）
电感电流
连续
脉动不连续
同PO时iL峰值
小
大
电压增益M
（D’为二极管导通占空比,
）
3.1.5主电路参数分析
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定过程如下。
（1）对于电源，要求输入电压为10-30V，且连续可调。
其直流稳压电源模块的设计已在前面完成。
所以该直流稳压电源作为系统电源。
（2）对于电阻，因为当输出电压为75V时，输出电流为0.1-1A。
所以由欧姆定律
可得负载电阻值为，可得到电路电阻应该在
。
（3）对于IGBT的选择，由图4易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为30V；而当
=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。
故需选择集电极最大连续电流Ic>1A，反向击穿电压Bvceo>30V的IGBT。
而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。
（4）对于二极管的选择，当
=1时，其承受最大反压30V；而当
趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。
（5）主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。
四、控制电路设计
4.1PWM控制芯片SG3525
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（SiliconGeneral）推出SG3525。
SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。
其产品一推出就受到广泛好评。
SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。
下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。
SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
SG3525引脚图
1.Inv.input（引脚1）：
误差放大器反向输入端。
在闭环系统中，该引脚接反馈信号。
在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。
2.Noninv.input（引脚2）：
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。
根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
3.Sync（引脚3）：
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
4.OSC.Output（引脚4）：
振荡器输出端。
5.CT（引脚5）：
振荡器定时电容接入端。
6.RT（引脚6）：
振荡器定时电阻接入端。
7.Discharge（引脚7）：
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。
8.Soft-Start（引脚8）：
软启动电容接入端。
该端通常接一只5的软启动电容。
9.Compensation（引脚9）：
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
10.Shutdown（引脚10）：
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连，以实现故障保护。
11.OutputA（引脚11）：
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
12.Ground（引脚12）：
信号地。
13.Vc（引脚13）：
输出级偏置电压接入端。
14.OutputB（引脚14）：
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
15.Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
16.Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
特点如下：
（1）工作电压范围宽：
8—35V。
（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。
（3）振荡器工作频率范围宽：
100Hz—400KHz.
（4）具有振荡器外部同步功能。
（5）死区时间可调。
（6）内置软启动电路。
（7）具有输入欠电压锁定功能。
（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。
（9）逐个脉冲关断。
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：
mA（峰值）。
4.2控制电路原理
图4-1控制电路原理图
SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。
因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，如图所示。
当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。
五、驱动电路设计
5.1IGBT对驱动电路的要求
（1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭；
（2）栅极串连电阻Rg要恰当。
Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大；
（3）栅射电压要适当。
增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。
因此，正偏压要适当，通常为+15V。
为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5～10）V；
（4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
际设计应用的具体电路加以说明。
5.2驱动电路基本原理
如图所示，其工作电源为独立电源20±1V，内部含有-5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。
当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使ICBT关断；若ICBT导通时，若承受短路电流，则其电压
随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下降，从而逐渐关断ICBT。
图5-1EXB841内部结构图
利用EXB841驱动芯片设计其驱动电路原理图如图所示，两个47uf电容用于吸收噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。
当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。
因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将上图与下图联系起来即可得到电路的控制驱动部分。
利用EXB841驱动芯片可画出其驱动电路原理图如下图所示。
图5-2驱动电路原理图
如图5-2所示，两个47uf电容用于吸收高频噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。
当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。
因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图6与图8联系起来即可得到电路的控制驱动部分。
结论
通过对直流稳压电源部分，Boost主电路，控制电路以及驱动电路的设计，得到了设计的总体电路，图参见附录。
在总电路图中，直流稳压电源部分输出10-30V的直流电供给Boost电路，在Boost主电路里，负载输出恒定为75V，全控型器件选用IGBT；电路采用的是PWM控制方式，控制脉冲由集成脉宽调制器SG3525产生，Boost电路输出电压反馈给控制电路，起到控制占空比的目的；控制信号需要经过驱动电路才能起到控制IGBT的目的，驱动电路是由驱动芯片EXB841构成；电路中还包括了IGBT的缓冲保护电路，对电路的过电流与过电压起到了很好的抑制作用。
心得体会
通过两个星期的电力电子课程设计，我学到了很多，不仅是在电力电子方面的知识，还有文献的检索和自学能力都有了很大的提高。
在课程设计期间我也遇到了很多的困难，同学们在一起共同探讨，解决了很多问题，同时也学得到了很多的课外知识。
锻炼了自己的自学能力。
刚开始设计的时候感觉非常难，自己从书本上学的知识远远不够，我就到学校图书馆查相关资料，在网上数据库检索相关文献，在文献的检索过程中我学到了很多课堂上学不到的东西。
由于大多数文献都是超出了我们的知识范围，所以看起来非常困难，自己也是硬着头皮去看，当看懂一些时感觉自己非常充实。
在这次电力电子课程设计后，我也深刻感到自己在相关方面知识的薄弱，比如在绘图和仿真方面，自己都是现学现卖，但这总不是长久之计，在以后的学习过程中我要不断加大自己的学习深度，在自主学习过程中充实自己。
附录：
对于不同输入情况下调节占空比使得输出相同的波形图
输入电压/电流：
14V/3.85A
输出电压/电流：
20V/2.03A
输入电压/电流：
15V/3.54A
输出电压/电流：
20V/2.03A
输入电压/电流：
16V/3.15A
输出电压/电流：
20V/2.03A
输入电压/电流：
17V/2.86A
输出电压/电流：
20V/2.03A
输入电压/电流：
18V/2.80A
输出电压/电流：
20V/2.03A
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