电力电子课程设计直流斩波电路

1、 电力电子技术电力电子技术课程设计说明书课程设计说明书直流斩波电路 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 何峰 学 号： 09401040238 指导教师： 桂友超 专 业： 自动化 班 级： 自本 0902 完成时间： 2012 年 5 月 1 日 设计任务书一 设计课题：直流斩波电路设计二 设计目的任务 学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在电力电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握应用直流斩波电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电力电子电路设计、研发电力电子产品打下良好的基础。三 设计要求 1 可取直流输入电压=50v, =350vdu

2、ou2 电力电子课程设计说明书一份3 设计时间一周4 一人一组一课题四 参考资料 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，20002 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，19983 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001目 录1 直流斩波电路设计方案和方案实施.11.1 设计方案选择.11.2 升压斩波电路的设计原理.12 单元电路设计.22.1 直流供电电路.22.2 升压斩波主电路.22.3 控制和驱动电路.32.3.1 芯片 sg3525 简介.32.3.2 控制和驱动电路原理图.42.4 保护电路.52.5 参数计算.53 实验仿真分析.73.1 仿真电路.

3、73.2 仿真结果与误差分析.7结束语.9致 谢.10参考文献.11原件清单.121 直流斩波电路设计方案和方案实施1.1 设计方案选择斩波电路有三种控制方式（1）脉冲宽度调制（pwm）：开关周期t不变，改变开关导通时间ton。（2）频率调制：开关导通时间ton不变，改变开关周期t。（3）混合型：开关导通时间ton和开关周期t都可调，改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件 igbt，它集中了电力mosfet 和 gtr 得优点。1.2 升压斩波电路的设计原理原理图如图 2 所示：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，则此期间电感 l

4、 释放能量为：offt （1-)(1eutiooff1）当电路工作于稳态时，一个周期 t 中电感 l 的能量与释放的能量相等，即： （1-offoontieutei11)(2） 化简得： (1-3) ettetttuoffoffoffon0式中，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。式中，1offtt表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，将升压比的倒offttou数记作，即。则和占空比有如下关系：ttoff （1-4）1因此， （1-3）式可以表示为： (1-5)eeuo1112 单元电路设计2.1 直流供电电路生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流

5、得到。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.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 1 所示： 图 1 直流供电电路输入端接 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

6、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） 。2.2 升压斩波主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。主电路图如下图 2 所示：图 2 主电路原理图左边接经整流之后的 50v 电压。右边为斩波电压输出，v-g 为 sg3525 输出的 pwm 斩波信号。g1 为 igb

7、t，d5 为电力二极管，l2 为电感，c1 为电容，r1 为负载。2.3 控制和驱动电路2.3.1 芯片 sg3525 简介pwm 控制芯片 sg3525 具体的内部引脚结构如图 3 所示。其中，脚 16 为sg3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）v，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚 5、脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 sg3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为 70db 左右。根据系

8、统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚 9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。图 3 sg3525 引脚图2.3.2 控制和驱动电路原理图 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

9、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 4 所示：图 4 驱动和控制电路工作原理：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。2.4 保护电路升压斩波电路需同

10、时具有过压和过流保护功能，分别如图 5,6 所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片 sg3525 的输入，从而起到调节保护作用。同时芯片 sg3525 也可完成一定的保护功能，例如，脚 8 软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。图 5 过电压保护电路图 6 过电流保护电路2.5 参数计算 由设计要求可取直流输入电压=50v, =350v, 则:duou(1) 占空比 =1-50/350=0.85.(2) 交流侧二次电压有效值=/1.2=41.7v;2udu取交流一次电压有效值=220v1u变压器变比 k=/=220/41.7=5.3。1u2u(

11、3) 输出功率为 130w,所以负载电阻 r=942.30，取 900；puo2负载电流=/ =0.39,电源电流=()/=2.20 a。2iour1i2i二极管承受反向最大电压 =1.414=1.41441.759vdmu2u(4) 考虑 3 倍裕量，则 =359v=177v; 平均电流=0.5i2=0.19, 选取 tnudi1n4003，其参数为最大反向峰值电压为 200v，平均电流为 1a.(5) 滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数1c越小，一般不做严格计算，多取 2000 f 以上。因该系统负载不大，故取=2200 f，耐 1.5=1.578.6=117.

12、9v 取 120v 即选用 2200uf、120v 电1cdmu容器。(6) 电感值一般选择极大值，以保证电流连续且脉动很小，所以取= 0.3mh，1l =50m h。2l(7) igbt 的选择 因为=41.7v，取 3 倍裕量，选耐压为 150v 以上的 igbt。由于 igbt 是2u以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为 4 倍关系，故应选用大于 4 倍额定负载电流的 igbt 为宜，因此选用 7a,额定电压 600v 左右的 igbt，选gt8q101，其参数为最高耐压为 1200v,最大电流为 8a.3 实验仿真分析3.1 仿真电路 打开仿真参数窗口，选择 ode23tb 算法，按

13、图 8 连接好仿真电路图。相对误差设置为 1e-03，开始仿真时间设置为 o，停止仿真时间设置为 o.02 s，控制脉冲周期设置为 o.0001 s(频率为 1 0000hz)，控制脉冲占空比为 85。各元器件参数按计算出来的参数设置。图 8 升压斩波电路仿真电路图3.2 仿真结果与误差分析参数设置完毕后，启动仿真，得到图 9 的仿真结果，输出电压为 350v图 9 升压斩波电路占空比 85%时仿真结果在原电路的基础上，改变占空比为 50%时的仿真结果如图 10 所示,理论输出电压为 100v.图 10 升压斩波电路占空比 50%时仿真结果通过以上的仿真过程分析，仿真结果基本符合理论计算值，可

14、以得到下列结(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用 simulink 对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。结束语经过将近两周的电力电子课程设计，终于完成了我的直流斩波电路的设计，虽然耗费了我很多的时间.但是是我学会不少知识。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，在老师和同学们的一一解答下度过重重难关取得成功！在此，对给过我帮助的所有同学和陆老师表示忠心的感谢，通过这一周的电力电子课

15、程设计，我既对matlab7.0 软件有了进一步的了解，对 boost chopper 电路也有的深入的认识和理解。刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助，学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。把实验室测得的波形和仿真的波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。经过这次的课程设计，发现 matlab 软件功能非常强大。平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。本设计还有很多做的不够好的地方，还望老师批评指正。致 谢在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程

16、设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把这个直流斩波电路设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢湖南工学院为我提供良好的电力电子设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，我感谢在这这么多天以来给过我帮助和关注的所有人，更加感谢给过我挫折的所有人。你们用不同的方式给了我成长，也是你们促使我在走过的大学时光里一直努力，终可以在课程设计的最后那一天无愧的说一声：我成功了。参考文献 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，20002 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，19983 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，20014 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，20005 陈汝全电子技术常用器件应用手册【m】机械工业出版社6 陈礼明实际直流斩波电路中若干问题的浅析梅山科技，20057 康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,19988 张义和.protel dxp 电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,20039 张乃国电源技术北