升压斩波电路设计.docx

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升压斩波电路设计

电力电子系统设计报告

（2014—2015学年第二学期）

系别信息与控制工程系

题目升压斩波电路设计

专业电气自动化

班级1203

学号3121010330

姓名彭中杰

指导教师孟显娇

完成时间

评定成绩

升压斩波电路（BoostChopper）设计

摘要

本设计就是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boostchopper）、设计由Matlab仿真与Protel两大部分构成。

Matlab主要就是理论分析,借助其强大的数学计算与仿真功能可也很直观的瞧到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与控制量的关系,最后进行了GUI编程,利用图形可视化界面的直观易懂的特点,使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形与控制方式,从而具有友好界面,非常方便的就可进行控制参数输入,与输出图像显示。

第二部分就是电路板,它可以通过BluePrint、Kicad、Protel等软件设计完成,其中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,与丰富的设计法则,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,与进行PCB板布线。

它就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。

关键字升压斩波;SG3525;

1.概述

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、随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路、直流斩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。

但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:

（1）系统损耗的问;

（2）栅极电阻;（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

2.课程设计任务及要求

2、1设计任务

理论设计:

了解掌握Boost电路的工作原理,设计Boost电路的主电路与控制电路。

包括:

IGBT电流、电压额定的选择;驱动、保护电路的设计;画出完整的主电路原理图与控制电路原理图。

2、2设计要求

对Boost电路的主电路与控制电路进行设计。

分两组参数,每组参数如下:

（1）直流电压E=50V,负载中R=20Ω,L、C值极大。

（2）直流电压E=200V,负载中R=20Ω,L、C值极大。

2、3设计主流程图

根据所要实现的功能,设计电路的主程序流程如图所示。

3、设计理论

3.1升压斩波工作原理

主电路工作原理

图一

假设L值、C值很大,V通时,E向L充电,充电电流恒为I1,同时C的电压向负载供电,因C值很大,输出电压uo为恒值,记为Uo。

设V通的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为EI1ton

V断时,E与L共同向C充电并向负载R供电。

设V断的时间为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

化简得:

输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。

也称之为boostchooper变换器。

——升压比,调节其即可改变Uo。

将升压比的倒数记作β,即

。

与导通占空比,有如下关系:

因此,可表示为

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因:

L储能之后具有使电压泵升的作用

电容C可将输出电压保持住

3、2数量关系

设IGBT通态的时间为ton,此阶段L上积存的能量为:

EI1ton

设IGBT断态的时间为toff,则此段时间内电感L释放能量为:

（U0-E）I1t

稳态时,一个周期时间内中L积存的能量与释放的能量相等:

T/toff>1,输出电压高于电源电压,故为升压斩波电路。

T/toff－升压比;升压比的倒数记为β,即β=toff/T。

又因为α+β=1。

所以:

电压升高得原因:

电感L储能使电压泵升的作用,电容可将输出电压保持住

4、硬件设计

4.1升压直流变换器电路总设计概述

电源电路产生的稳定24V直流电作为主电路（斩波电路）的输入电源,电源电路产生的稳定的直流+5V电压控制单片机,通过单片机来输出脉冲占空比可变的波,从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压Uo。

把输出电压Uo通过降压后得到的信号Uco反馈给A/D转换电路,再通过比较器判断电压就是否过压,过压则单片机输出恒高电平,就是MOSFET关断,因此整个系统构成一个可调的直流升压斩波电陆,并且达到过压保护的目的。

本设计主要由:

电源电路、控制电路、驱动电路、斩波电路与保护电路组成。

4、2储能电感L的选择

电感电流包括直流平均植与纹波分量两部分,其电流平均值如下确定。

假定忽略电路的内部损耗,电路中开关f设为1KHz,则Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii就是从电源Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii就是从电源Vi取出平均电流,也就是流入电感的平均电流IL,以下中Vi=E=24V,V0=U0=60V,P0=40W,I0=0.67AVo=Vi*T/toff,与保护电路组成。

Vo=Vi*T/toff,故有Ii=Vo*Io/Vi=Io*T/toff选择ΔI=Vi*ton/L=1、4Ii,则电感L为L=Vi*ton/1、4Iiton=T*（Vo-Vi）/Vo=（Vo-Vi）f*V0

假定忽略内部的损耗,则

Vi*Ii=Vo*I0

故有Ii=Vo*Io/VI因此L=Vi*ton/1、4Ii=Vi²*（Vo-Vi）/1.4f*Vo²*I0已知输出电压Vo、输出电流Io、输入电压Vi与开关频率f,就可求出电感值。

则:

L≤24²（60-24）/1、4*1000*60²*0、67=0、00617H

因此L的规格选为LGC0410其电感量为0、15uH~56uH额定电流范围为1.85A~300mA。

4、2输出滤波电容的选择

假如输出滤波电容C必须在V开启的ton期间供给全部负载电流,设在ton期间,C上的电压降≤纹波电压ΔVo,由式得

C=Io*（ton/ΔVo）由式,求得ton=T*（Vo-Vi）/Vo故有C=T*Io*（Vo-Vi）/Vo*ΔVo=Io*（Vo-Vi）/f*Vo*ΔVo

ΔVo≤24*10%=2、4vC≤10*（60-24）/1000*2、4*60=0.000167F

4、3驱动电路选择

IGBT的门极驱动条件密切地关系到她的静态与动态特性。

门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS与门极电阻RG的大小,对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。

其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性,负载短路能力与duGS/dt电流有较大的影响,而门极负偏压对关断特性的影响较大。

同时,门极电路设计中也必须注意开通特性,负载短路能力与由duGS/dt电流引起的误触发等问题。

根据上述分析,对IGBT驱动电路提出以下要求与条件:

（1）由于就是容性输出输出阻抗;因此IBGT对门极电荷集聚很敏感,驱动电路必须可靠,要保证有一条低阻抗的放电回路。

（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电,以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。

另外,IGBT开通后,门极驱动源应提供足够的功率,使IGBT不至退出饱与而损坏。

（3）门极电路中的正偏压应为+12～+15V;负偏压应为-2V～-10V。

（4）IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RG较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间与开关损耗;RG较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。

RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧～几十欧,小容量的IGBT其RG值较大。

（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。

IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,IGBT的G～E极之间不能为开路。

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。

本文设计的电路采用的就是专用集成块驱动电路。

IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展（包括处理器、系统结构与存储器件）,数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。

一般数字信号处理器构成的控制系统,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。

因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

4、4保护电路原理介绍

试验方案中还设计了保护电路,如下图,下图就是过流保护电路图。

R7就是100KΩ,串联在负载管两边,R7的一边连接地,另一边输入运算放大器的负（即引脚2）,引脚3接滑动变阻器R4,R4取值10Ω,因为斩波电路的输出电压U0为60V,输出功率40W,即I0为0.67A,所以设保护电流参数为1.5A（R4接电压15V,R4为10Ω,即参考电流为1.5A）,将反馈电流与的保护电流参数值相互比较,如果大于限定值则使单片机8051的P2、1脚置低电平,使单片机89S52的输出引脚P1、5输出恒为低,从而光耦驱动停止,驱动电路产生负驱动电压,从而关断MOSFET管,以达到保护电路的作用。

同时,将P1、4置高电平,使发光二极管发光。

从而达到报警功能。

4、5保护电路的芯片介绍

保护电路中使用的单片机就是8051,设计中使用两个单片机芯片会增加成本,不过由于编程的原因,所以采用与控制电路不同的单片机芯片8051,8051单片微型计算机简称单片机,与89S52的引脚功能相似。

0809美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D转换器。

它可以根据地址码锁存译码后的信号,就是因为其内部有一个8通道多路开关。

就是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片

1）具有转换起停控制端。

2）8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。

3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时）,130μs（时钟为500kHz时）

4）不需零点与满刻度校准,模拟输入电压范围0～+5V。

5）单个+5V电源供电

6）工作温度范围为-40～+85摄氏度

7）低功耗,约15mW。

内部结构:

0809就是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器。

5、具体电路设计

外接220V交流电压经过变压器T1与不控整流电路得到50V的直流电压E作为BoostChopper的输入电压给BoostChopper供电。

为使IGBT在过压时不至于损害与抑制IGBT的电流变化过快及其两端电压变化过快而给IGBT带来的损害,在主电路中为其加入缓冲电路与过压保护电路就是必要的。

触发电路以专用的PWM控制芯片SG3525为核心构成,控制电路输出占空比可调的矩形波形,占空比受Uco的控制（如图1-13）。

触发电路输出的矩形波经光耦合驱动电路控制主电路中IGBT的开通与关断。

电路设计好后主电路中的电感电容值已确定,此时只要调节触发波形的占空比即可调节Boost输出电压。

电路设计好后主电路中的电感电容值已确定,此时只要调节触发波形的占空比即可调节

Boost输出电压。

占空比越大,Boost的输出电压值越大

主电路触发电路

6、心得体会

一个星期的课程设计,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就是在不断的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,以前总就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,通过网上检索文献,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。

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

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。

7、附录

8、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）张乃国.电源技术.北京:

中国电力出版社,1998

（4）何希才.新型开关电源设计与应用.北京:

科学出版社,2001

（5）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

（6）陈汝全.电子技术常用器件应用手册.机械工业出版社

（7）陈礼明.实际直流斩波电路中若干问题的浅析.梅山科技,2005.附录