直流升压斩波电路课程设计分析.doc

1、本科生课程设计（论文）辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：升压直流斩波电路实验装置院（系）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间： 2013-12-30 至 2014-1-10本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气学 号35学生姓名张彬专业班级设计题目升压直流斩波电路实验装置课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察升压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升压斩波的相关理论知识。课设计任务程1、方案的经济技术论证。 2、整流电路设计。

2、3、通过计算选择整流器件的具体设 型号。 4、斩波电路设计。 5、驱动电路设计或选择。 6、绘制相关电路图。 7、完成计（设计说明书。论要求文）1、文字在 4000 字左右。任 2、文中的理论分析与计算要正确。务 3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、交流电源：单相 220V。2、前级整流输出电压限制在 50V 以内。 3、斩波输出电流最大值 2A。4、负载：纯电阻。 5、斩波输出直流电压在 50 100V 左右可调。第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：整流电路设工 计；第 5 天：斩波电路设计；第 6 天：驱动电路设计；第

3、7 天：元器件具体选择；作 第 8 天：在实验室调试；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天：答辩计划指导教师评语及平时：论文质量：答辩：指导教师签字：成绩总成绩：年月日注：成绩：平时20% 论文质量 60%答辩 20%以百分制计算本科生课程设计（论文）摘要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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。 直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电， 一般是指直接将直流电变为另一直流电， 这种情况下输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节， 在交流

4、环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流直流变流电路或直交直电路。直流斩波电路的种类有很多， 包括六种基本斩波电路： 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 斩波电路和 Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路， 如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。 利用相同结构的基本斩波电路进行组合， 可构成多相多重斩波电路。关键字：直流斩波；升压斩波；变压器II本科生课程设计（论文）目录第 1 章绪论 .1第 2 章直流升压斩波电路的设计思想 .32.1直流升压斩波电路原理 .32.2参数计算 .4第 3 章直流升压斩

5、波电路驱动电路设计 .5第 4章直流升压斩波电路保护电路设计 .64.1过电流保护电路 .64.2过电压保护电路 .6第 5章直流升压斩波电路总电路的设计 .8第 6章直流升压斩波电路仿真 .96.1仿真模型的选择 .96.2仿真结果及分析 .9第 7章 设计总结 .12参考文献 .13附录：元件清单 .14III本科生课程设计（论文）第1章绪论直流升压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电路、升降压电路、 复合电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被

6、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。早期的直流装换电路，电路复杂、功率损耗、体积大，使用不方便。晶闸管的出现为这种电路的设计又提供了一种选择。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。它电路简单体积小，便于集成；功率损耗少，符合当今社会生产的要求；所以在直流转换电路中使用晶闸管是一种很好的选择。主要元件介绍1 IGBT 介绍本设计基于电力电子技术课

7、程， 充分使用全控型晶闸管IGBT 设计电路，实现直流升压。IGBT 绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管 ) 和 MOS(绝缘栅型场效应管 ) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET的高输入阻抗和 GTR的低导通压降两方面的优点。 GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大 ;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。2 驱动电路 M57962L简介M57962L是由

8、日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路(HybridIntegrated Circuit For Driving IGBT Modules)。在驱动模块内部装有 2500V高隔离电压的光电耦合器， 过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。 M57962L是一种高速驱动电路， 驱动信号延时 tPLH 和 tPHL最大为 1.501本科生课程设计（论文） s。可以驱动 600V/400V 级的 IGBT模块。 M57962L工作程序 : 当电源接通后，首先自检，检测 IGBT是否过载或短路。若过载或短路， IGBT 的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，

9、 栅极关断电路动作， 切断 IGBT的栅极驱动信号，同时在“ 8”脚输出低电平“过载 / 短路”指示信号。 lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动 IGBT。3 M57962L的工作原理M57962L采用双电源 + Vcc 和 VEE ，原理结构图如图 1-1 所示。电路组成： (1) 放大隔离电路； (2) 定时复位电路； (3) 过流检测电路； (4) 过流输出电路。图 1-1 M57962L 原理机构图2本科生课程设计（论文）第 2 章 直流升压斩波电路的设计思想2.1 直流升压斩波电路原理直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1-2 所示。

10、在电路中 V 导通时，电流由E 经升压电感 L 和 V 形成回路，电感L 储能；当 V 关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到图 2-1直流升压斩波电路原理图高于电源的电压，二极管的作用是阻断 V 导通是，电容的放电回路。调节开关器件 V 的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。假设 L 值、 C 值很大， V 通时， E 向 L 充电，充电电流恒为I 1 ，同时 C 的电压向负载供电，因 C 值很大，输出电压 u0 为恒值 , 记为 U 0 。设 V 通的时间为 t on ，此阶段 L 上积蓄的能量为 EI 1 t on 。V 断时， E 和 L

11、共同向 C充电并向负载 R供电。设 V断的时间为 t off ，则此期间电感 L 释放能量为：(U 0 - E)I 1toff（1-1 ）稳态时，一个周期T 中 L 积蓄能量与释放能量相等EI 1ton(U 0E)I 1t off（1-2 ）化简得：t ontoffT（1-3 ）U 0toffEEt off上式中 T1 ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。toffT升压比，调节其即可改变U 0 。将升压比的倒数记作 ，即t off 。t offT和导通占空比，有如下关系：1（1-4 ）因此，式（ 1-2 ）可表示为：3本科生课程设计（论文）U01E1E（1-5）1-升压斩波电路之所以能使

12、输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是 L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C可将输出电压保持住。 在以上分析中，认为 V 处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。2.2 参数计算由直流斩波电路的原理可知t ont offET（1-6 ）U 0Etofftoff又输入电压为输入直流电压范围： 50V100V，要求输出直流电压： 80V。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管 IGBT关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可

13、得到所需电压。由计算得：63（1-7 ）8517又因为要求输出功率P=100W, U 0 =340VU 02P（1-8 ）R得：（1-9 ）1156R=4本科生课程设计（论文）第 3 章 直流升压斩波电路驱动电路设计升压电路所用全控型晶闸管IGBT 是电压型驱动器件。 IGBT 的栅射极之间有数千皮法左右的极间电容， 为快速建立驱动电压， 要求驱动电路具有较小的输出电阻使 IGBT 开通的栅射极间的驱动电压一般取 15 20V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（ -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。IGBT 的驱动多采用专用的混合驱动集成驱

14、动器，本次采用 M57962L驱动器。如图 2-2 驱动电路图所示。 又由产品信息知 M57962L驱动器内部具有退饱和和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路发出故障信号。470081+5V1430V543.1M57962L+15V100Fui13100F6-10V图 3-1 直流升压斩波驱动电路5本科生课程设计（论文）第 4 章 直流升压斩波电路保护电路设计4.1 过电流保护电路电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。 过电流分为过载和短路两种情况。通常采用的保护措施有：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。 一般电力电子装置均同时采用

15、集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。综合本次设计电路的特点， 采用快速熔断器， 即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图3-1 电流保护电路所示。图 4-1 直流升压斩波电路过流保护电路对于所选的保险丝，遵从I 2 t 值小于晶闸管的允许I 2 t 值。4.2 过电压保护电路电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。 本设计主要用于室内， 为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。操作过电压是由分闸、 合闸的开关操作引起的过电压， 电网侧的操作过电压会由供电变压器磁感应耦合， 或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦

16、合过来。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程， 包括：换相过电压，关断过电压。根据以上产生过电压的的各种原因， 设计相应的保护电路。 如图 2-4 过压保护电路所示。其中：图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升，从而使得电力电子器件IGBT 管因电压6本科生课程设计（论文）的的过高厄尔损坏。图 4-2 中的电阻可以是 1K左右的电阻，而电容的值可以为 100F左右，这样形成一个保护电路。图 4-2 直流斩波电路过电压保护电路7本科生课程设计（论文）第 5 章 直流升压斩波电路总电路的设计如图 4-1 总电路设计图所示。电路由升压电路，

17、驱动模块、保护模块、缓冲电路组成。R2L电压输入VD81R1R+5V14VD1CVW3VC15M57962L 4R1VW1C2+15Vui13C3VW2NO6-10V图 5-1 直流升压斩波电路总电路由 M57862L芯片为核心构成的驱动电路， 控制 IGBT的导通和关断时间， 从而控制电路的升压比 ，使其达到：63（5-1 ）8517进而使输出电压达到目的值。升压电路时整个电路的核心，由一个IGBT和电容、电感值都很大的电容电感各一个。 R为输出负载，电压由此输出。因为输出功率是一定的 100W，从而 R 为定值 1156。其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。8本科生课程设计（论文）第

18、6 章 直流升压斩波电路仿真6.1 仿真模型的选择在本次的设计中，采用了 Matlab 软件作为仿真工具来进行电路的模拟。首先画出电路的结构图如下所示：图 6-1 直流升压斩波电路仿真电路模拟图由上图中我们可以看到，在电路中，在IGBT 的两端加了脉冲触发电压，控制开关的关断，以便得到升压的电压。6.2 仿真结果及分析1）仿真电路及其仿真结果1. 仿真电路图9本科生课程设计（论文）图 6.2.升压斩波的 MATLAB 电路的模型2 ）MATLAB 的.仿真结果如下：图 6.3=0.2 时的仿真结果图 6.4 =0.4 时的仿真结果10本科生课程设计（论文）图 6.5=0.6 时的仿真结果图 6

19、.6=0.8 时的仿真结果图 6,7=0.99 时的仿真结果3） 仿真结果分析由公式可得：当时，=44=0.4 时，=88。=0.6 时，=132。=0.8 时，=176。=0.99 时，=217.8 。上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以没有误差。11本科生课程设计（论文）第7章设计总结经过不懈的努力我终于顺利的完成了此次直流升压斩波电路的仿真， 其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。遇到的问题和困难：1. 由于事先理论知识预习的不够充分，所以很多计算问题困难重重，再次花费大量时间去研究，造成实验进度大大减速，效率降低。2. 选取实验元器件时，由于缺乏实际操作经验，常常出现用错元器件，造成实验数据误差很大，重复实验多次。3. 在用 MATLAB 软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。学到的知识：(1) 通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。(2) 对直流斩波有了更深层次的理解。(3) 对 MATLAB 软件和电路原理图的设计有了初步了解。12本科生课程设计（论文）参考文献1 王兆安、刘进军电力电子技术（第 5 版）机械工业出版社， 20092 康华光、陈大钦电子技术基础模拟