升压斩波电路设计

1、电力电子技术课程设计报告题 目： 升压斩波电路设计 学 院：专 业：学 号：姓 名：指导教师：完成日期：升压斩波电路设计(一) 设计任务书（二） 设计说明书目 录一 matlab仿真原理1 升压斩波电路工作原理1.1主电路工作原理1.2 igbt驱动电路选择2 仿真实验2.1仿真模型2.2仿真实验结果及分析2.3仿真实验结论2.4 最优参数选择二 硬件实验2.1 硬件电路2.1.1整流电路2.1.2斩波信号产生电路2.1.3斩波电路2.1.4总原理图2.1.5元器件列表2.2 pcb印刷电路板2.3 制造输出final 三 课程设计总结参考文献摘要本设计是基于sg3525芯片为核心控制的pwm

2、升压斩波电路（boost chopper）.设计由matlab仿真和protel两大部分构成。matlab主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到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，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和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是电路板，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，

3、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。关键字 升压斩波; sg3525;simulink ; pwm;protel引 言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-d

4、c 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。一 matlab仿真原理1. 升压斩波工作原理1.1 主电路工作原理假设l

5、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()offotieu1-v断时，e和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 （1-1）化简得： （1-2），输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost chooper变换器。升压比，调节其即可改变uo。将升压比的倒数记作，即。b和导通占空比，有如下关系： （1-3）因此，式（1-2）可表示为 （1-4）升压斩波电路能使输出电

6、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1.2 igbt驱动电路选择 igbt的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压ugs、负偏压-ugs和门极电阻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，负载短路能力和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，负载短路能力和由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和条件： (1)由于

7、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不至退出饱和而损坏。(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 的开关时间和开关损耗；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

8、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ge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、系统结构和存储器件)，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

9、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。2. matlab仿真实验物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用matlab自带的动态仿真集成环境-sim

10、ulink进行仿真。simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（gui）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。2.1 仿真模型mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。该设计的仿真模型如图1所示：图1 simulink 仿真模型图simulink 仿真模型图中dc voltage source 是电压源，提供50v点直流电压。l为电感。diode为电力二极管，单项

11、导通，阻止电流反向流动。c为电容。igbt为斩波器件，r为负载。current measurement1 用来测量流经l的电流。current measurement2用来测量负载电流。current measurement3用来测量流经电容c的电流。current 为流经igbt的电流，igbt voltage 为igbt两段的电压。scope为示波器。pulse generator为pwm脉冲发生器，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。2.2 仿真实验结果及分析 周期设为1khz ,占空比为50%,电感为10mh,电容为2200uf,负载为100时进行仿真，仿真结果如下：图2-0-1 负

12、载电压98.2v图2-0-2 流经电感l的电流值为0.982a由图2-0-1中v1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即 （v） 满足理论计算公式（ 1-4 ），由仿真结果知，原理图设计是对的。 负载不变为100，频率1khz，占空比从5%到95%以等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。 占空比5%图2-1-1 负载电压51.8v图2-1-2 流经电感l的电流值为0.518a从图2-1-1负载电压可以看出负载电压约为51.8v，基本上符合理论计算： （v） 占空比15%图2-2-1 负载电压57.4v图2-2-2 流经电感l的电流值为0.57a从图2-2-1

13、负载电压可以看出负载电压约为51.8v，基本上符合理论计算： （v） 占空比25%图2-3-1负载电压65.5v图2-3-2 流经电感l的电流值为0.65a从图2-1负载电压可以看出负载电压约为65.5v，基本上符合理论计算： （v）占空比35%图2-4-1 负载电压75.6v图2-4-2 流经电感l的电流值为0.75a从图2-4-1负载电压可以看出负载电压约为75.6v，基本上符合理论计算： （v） 占空比45%图2-5-1 负载电压89.3v图2-5-2 流经电感l的电流值为0.89a从图2-5-1负载电压可以看出负载电压约为89.3v，基本上符合理论计算： （v） 占空比55%图2-6-

14、1 负载电压109.1v图2-6-2 流经电感l的电流值为1.09a从图2-6-1负载电压可以看出负载电压约为109.1v，基本上符合理论计算：（v） 占空比65%图2-7-1负载电压140.2v图2-7-2 流经电感l的电流值为1.042a从图2-7-1负载电压可以看出负载电压约为140.2v，基本上符合理论计算：（v） 占空比75%图2-8-1 负载电压196.2v图2-8-2 流经电感l的电流值为1.962a从图2-8-1负载电压可以看出负载电压约为196.2v，基本上符合理论计算：（v） 占空比85%图2-9-1 负载电压325v图2-9-2 流经电感l的电流值为3.25a从图2-9-

15、1负载电压可以看出负载电压约为325v，基本上符合理论计算：（v） 占空比为95%图2-10-1 负载电压942v图2-10-2 流经电感l的电流值为9.42a从图2-10-1负载电压可以看出负载电压约为942v，基本上符合理论计算：（v）2.3 仿真实验结论由图（图2-0），在占空比为50%时，输出电压可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即( 1-5 ) 满足理论计算公式 （ 1-4 ），由仿真结果知，该原理图设计是对的。2.4 最优参数选择ooeooe图 3-1 电流连续图 3-2 电流断续当igbt处于导通时，得 ( 1 - 6 )设的初值为，解上式得 ( 1 7 )当i

16、gbt处于关断时，设电动机电枢电流为，得 ( 1 8 )设的初值为，解上式得 ( 1 9 )当电流连续时，从图 3-2 的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得 ( 1 10 ) ( 1 11 )故由上两式求得： ( 1 12 ) ( 1 13 )把上面两式用泰勒级数线性近似，得 ( 1 14 )该式表示了l为无穷大时电枢电流的平均值，即 ( 1 15 )当电流断续时的波形如图 3-2所示。当=0时刻 =0，令式 （1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即 ( 1 16 )当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即 ( 1 17 )根

17、据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。二、硬件实验2.1 硬件电路2.1.1 整流电路本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得，由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用rl低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。protel原理图如下图4所示：图 4 protel原理图输入端接220v、50hz的市电，进过变压器t1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55v、50hz。当同名端为正时d2、d5导通，d3、d4截止，电压上正下负。当

18、同名端为负时d2、d5截止，d3、d4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50v左右）。2.1.2 斩波信号产生电路 此电路主要用来驱动igbt斩波。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采用直接产生pwm的专用芯片sg3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率

19、的pwm波，通过改变in+输入电阻就能改变输出pwm波的占空比，故在in+端接个可调电阻就能实现pwm控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，sg3525输出的pwm经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图 5所示：图 5 驱动电路仿真图工作原理：通过r2、r3、c3结合sg3525产生锯齿波输入到sg3525的振荡器。其产生的pwm信号由outa、outb输出，调节r7可以改变占空比。输出的pwm信号通过二极管d6、d7送至光电耦合器u2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直

20、接驱动igbt。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的pwm斩波电路。2.1.3 斩波电路本设计为直流升压斩波（boost chopper）电路，该电路是本系统的核心。应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率igbt管。原理图如下图6所示：图 6 主电路仿真图左边接经整流之后的50v电压。右边为斩波电压输出，j2为测试点。v-g为sg3525输出的pwm斩波信号。q1为igbt，d1为电力二极管，l2为电感，c1为电容，r1为负载。原理分析：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，50v电源向l

21、2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。2.1.4 总原理图图形如下图7所示。其中j1为市电插口，p1接15v驱动,p2为驱动igbt的pwm信号t1为变压器，将220 v市电转换成频率不变的5

22、5v交流电（题目要求整理输出50v，由于元器的阻抗会分压，故把输入电压提高5 v，此时变压器变比为t1：t2=4:1）。变压器变压后输入到由d2、d3、d4、d5四个整流二极管组成的整流电路输入端 。经整流后电压含有较大的纹波，故通过l1、c2组成的lc低通滤波器进行滤波。滤波后输出的电压就比较平滑了。接下来就是由电感l2、斩波器件igbt q1，电力二极管d1、电容c1组成的升压斩波电路（boost chopper）.改变驱动信号pwm的占空比就可以调节输出到负载r1两端电压，j2是负载两端的电压测试点，接至示波器就可以看到输出电压。图 7 总原理图2.1.5 元器件列表本系统除了pwm信号

23、产生电路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具体见下表 1（元器件清单）：表1 元器件清单commentdescriptiondesignatorfootprintlibrefquantitycap pol1polarized capacitor (radial)c1, c2, c4rb7.6-15cap pol13capcapacitorc3rad-0.3cap1diode 1n54073 amp medium power silicon rectifier dioded1, d2, d3, d4, d5dio18.84-9.6x5.6diode 1n54075diode 1n4148hi

24、gh conductance fast dioded6, d7dio7.1-3.9x1.9diode 1n41482plug ac femaleiec mains power outlet, en60 320-2-2 f class i,pc flange rear mount, chassis socketj1iec7-2h3plug ac female1socketsocketj2pin1socket1inductor ironmagnetic-core inductorl1, l2axial-0.9inductor iron2header 2header, 2-pinp1, p2, p3

25、hdr1x2header 23rf1s40n1040a, 100v, 0.04 ohm, n-channel power mosfetq1to-262aarf1s40n101d44h8npn power amplifierq2to-220d44h81d45h8pnp power amplifierq3to-220d45h81res2resistorr1, r2, r3, r4, r5, r6axial-0.4res2610kpotentiometerr7vr5rpot1trans eqtransformer (equivalent circuit model)t1trf_4trans eq1s

26、g3525anregulating pulse width modulatoru1dip16sg3525an1optoisolator14-pin phototransistor optocoupleru2dip-4optoisolator11表 1-12.2 pcb印刷电路板pcb（printed circuit board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。现在常用的pcb板主要有单面板和双面板，单面板没有双面板好布线，但是在实验室容易制作,而且成本也要低，适合低密度的电路。本设计采用单面板，节约了一定得经费，手工布线，考虑散热，和抗电磁干扰，本设计增加了相应的规则，同时覆了铜，从而有效的优化了布线，提高了散热性能，和增强了抗电磁干扰。整块板子性能得到了很大的改善。足以满足题目要求pcb板见下图8-1（二维）、8-2（三维正面）、8-3（三维反面）所示：图 8-1 印刷电路板2