电力电子升压斩波电路的设计

1、电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计院系：院系： 信息科学与工程学院信息科学与工程学院 题目：题目： 升压斩波电路设计升压斩波电路设计 专业：专业： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班级：班级： 12011201 学号：学号： 31202031023120203102 姓名：姓名： 陈昱含陈昱含 班级：班级： 12011201 学号：学号： 31202031053120203105 姓名：姓名： 郑华宇郑华宇 班级：班级： 12011201 学号：学号： 31202031063120203106 姓名：姓名： 叶叶 荣荣 指导老师：指导老师： 黄靖、刘华姿黄靖、刘华姿 2014-20

2、152014-2015 学年学年 第一学期第一学期电力电子技术课程设计2目录目录一、引言.3二、设计目的要求与方案.32.1 设计目的.32.2 设计要求.32.3 设计方案.4三、主电路的设计.53.1 主电路方案.53.2 元器件参数选择与计算.63.2.1 功率开关 V 的选择.63.2.2 二极管 VD 的选择.73.2.3 储能电感 L 的选择.83.2.4 输出滤波电容 C 的选择.83.2.5 参数计算.9四、控制和驱动电路的设计.104.1 控制电路设计.104.1.1 SG3525 的工作原理.104.1.2 控制电路方案选择.114.2 驱动电路设计.134.2.1 TLP

3、521 资料.134.2.2 驱动电路方案选择.14五、保护电路设计.155.1 过流保护电路.155.2 过压保护电路.165.3 过热保护电路.17六、部分仿真波形.18七、方案改进.207.1 改进型升压斩波电路.207.2 缓冲电路的设计.207.3 利用单片机设计控制电路.21八、设计总结.22九、附录.239.1 元器件清单.239.2 参考文献.249.3 附图.25电力电子技术课程设计3一、引言一、引言直流-直流交流电路是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波，可以看作一个直流变压器。直流斩波电路(DC Chopper)一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流

4、-交流-直流的情况;直流斩波电路的种类很多，包括 6 种基木斩波电路: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，Zeta 斩波电路，前两种是最基本的电路。本设计为升压斩波电路 Boost Chopper 升压斩波电路，该电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)电路，三是用于其它交直流电源中。本设计主要是设计一个升压斩波电路，要求输入一定的直流电压，经过升压斩波电路实现一定范围内可调的直流电压的输出。二、设计目的要求与方案二、设计目的要求与方案2.12.1 设计目的设

5、计目的1 1）培养文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。2 2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3 3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。4 4）提高课程设计报告撰写水平。2.22.2 设计要求设计要求课题：升压斩波电路设计要求：1、输入直流电压：Ud=40V2、开关频率 100KHz3、输出电压范围 80V120V4、输出电压纹波：小于 1%5、最大输出电流：5A6、具有过流保护功能，动作电流：6A7、具有稳压功能电力电子技术课程设计42.32.3 设计方案设计方案由于升压斩波电路可以将任意可调的直流电转换为稳定的另一直流电压，也可以将任一稳定的

6、直流电压转换为可调范围输出，根据题目要求，主电路采用 Boost Chopper 通过合适的取电阻和电感的大小并采用调节占空比的方法调节输出电压的人小;通过合适的选取电容的值达到纹波指标，同时稳定输出的电压。另外加上合适的过流保护电路防止器件的损坏。电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据升压斩波电路设计任务要求则需设计主电路

7、、控制电路、驱动及保护电路。以下为方案原理框图：滤波整流电路滤波整流电路升压斩波电路（主电路）升压斩波电路（主电路）保护电路保护电路控制电路控制电路驱动电路驱动电路根据原理框图与所学知识设计大致电路原理图：（不包含具体控制电路、驱动电路与保护电路）电力电子技术课程设计5三、主电路的设计三、主电路的设计3.13.1 主电路方案主电路方案设计构思设计构思：根据设计要求需设计一个升压斩波电路，根据所学知识可以运用基本斩波电路 Boost Chopper 作为主电路，此方案是通过直流电变为固定电压或可调电压的直流电，电路整体较为简单。另一种方案是在直流变流电路中增加交流环节，即先把直流变交流，再把交流

8、变直流，此方案把本该简单的电路变为更加复杂。综合所述，选择前者方案为主电路。下图为主电路原理图：升压斩波电路的工作原理工作原理如下:假设电路中电感 L 值很大，电容 C 值也很大。当 V 处于接通态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I1,，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定值，记为 Uo。设 V 处于接通态的时间为 ton，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 EIlton 处于断开时，E 和 L 共同向电容 C 充电，并向负载 R提供能量。设 V 处于断开的时间为 tof，则在此时间电感 L 释放的能量为。当电路工作处于静态时，一个周期

9、 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即化简得： 上式中的，输出电压高于电源电压，故称之为升压斩波电路。升压斩波电路在电力电offoontIEUtEI110iGE0ioI1电力电子技术课程设计6子工程中也叫变换器，式中的表示升压比，通常调节其大小，即可改变输出电压 Uo 的大小。其调节的方法就是控制始终大于 1，也就是保持。 在实际电路中，要使通过电容 C 作用使得输出电压认为保持不变，其当电容 C 的值足够大时，其误差是很小的，基本可以忽略。从这一点上说，升压斩波电路可以看成是直流变压器。电感电流连续与断续电流电压波形图电感电流连续与断续电流电压波形图3.23.2 元器件参数选择与计

10、算元器件参数选择与计算3.2.1 功率开关功率开关 V 的选择的选择功率开关的选择首先应该根据输入条件和输入电压、电流、工作场合、负载特性等来确定，常用的全控型器件为 IGBT，MOSFET，GTR 等。在确定功率管的类型后，型号的选择应该遵循以下几个原则：1）功率开关 V 的导通饱和压降 Uces 越小越好。2）功率开关 V 截至时的反向漏电流 Ico 越小越好。3）功率开关 V 的高频特性要好。4）功率开关 V 的开关时间要短，也就是转换速度要快。5）功率开关 V 的基极驱动功率要小。电力电子技术课程设计76）功率开关 V 集电极电压的额定值需要足够大。IGBT 升降压斩波电路是直流斩波中

11、最基本的一种电路，是用 IGBT 作为全控型器件的升降压斩波电路，用于直流到直流的降压或升压的变换。IGBT（绝缘栅双极晶体管）是典型的全控型器件，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。故功率开关 V选择 IGBT。（1） 集电极电压 Uceo：由原理图可知 V 承受的最大电压就是截至电压 Ui，考虑输入电压具有 10%的波动，储能电感 L 上的反峰尖刺电压为额定值的 20%，因此 V 承受

12、的电压实际为 1.1*1.2Ui1.32Ui。通常选择功率开关要留有一定的富余量，故选 80%为额定电压值，则 1.32Ui0.8Uceo。根据输出电压有输入电源关系，亦可得 UoUi1/(1-D)。 （2） 集电极电流 Ic：在功率开关 V 导通期间，流过功率开关 V 的电流也就是在此期间流过储能电感 L 中的电流，即输入电流 Ii。如不考虑电路中的其他功率损耗，就有 Ii=IoUo/Ui。选择功率开关V 的集电极电流和选择集电极电压一样，也要留有一定的余量。一般工作电流取为 80的额定电流值，公式就应为 0.8Ic=IiIoUo/Ui=Io1/(1-D)。3.2.2 二极管二极管 VD 的

13、选择的选择（1）反向耐压 Ud：在功率开关 V 导通期间，二极管 VD 因反向偏置而截止，此时二极管 VD 上所承受的电压为输出电压 Uo(功率开关 V 的正向饱和电压被忽略)。此外，二极管耐压值一般应留有 20的富余量，故二极管 VD 反向耐压 Ud 应为：（2）正向导通电流 Id：在功率开关 V 截止期间，二极管 VD 因正向偏置而导通，此时流过二极管 VD 上的电流Id 正好就是电流 Ii，也就是流过储能电感 L 上的电流 Ii。因此 Ii=IoUo/Ui。通常在选择二极管 VD 的正向工作电流时应留有较大的富余量，以降低其正常工作时的热量，通常富余量为 50，因而就有解上式可得出二极管

14、 VD 正向导通电流 Id: 2IoUo/Ui=2Io/(1-D).（3）正向导通功率损耗 Pd：在功率开关 V 截止期间，二极管 VD 因正向偏置而导通的电流 Id。设二极管 VD 的正向电力电子技术课程设计8导通管压降为 Us，二极管 VD 正向导通功率损耗 Pd 可由下式计算: 从上式中我们可以看出，要想降低二极管 VD 正常工作时的热量，除上面所说的在选择正向导通电流 Id 时要留有较大的富余量以外，减小二极管 VD 正向导通管压降 Us 也是一个非常有效的方法。因此，具有非常低的正向导通管压降的肖特基二极管（SBD）是首选对象。而且在 Roost Chopper 变换中，升压二极管的

15、反向恢复会限制开关频率的提高，同时引起较大反向恢复损耗、过高 di/dt 而产生电磁干扰。肖特基二极管器件的短载流子寿命是减小反向恢复电流峰值和缩短关断时间的一个主要因素。在 IGBT 和普通二极管组合中，IGBT开通时会出现很大的开通电流过冲，其峰值可达 24 A，开通损耗较大，同时因为 IGBT 达到稳态的电流时间较长也使系统的频率受到限制；而 IGBT 和肖特基二极管组合电流上升基本没有过电流现象，其峰值为 5A。IGBT 和普通二极管组合中的二极管在关断时会出现很大的反向关断电流，其峰值可达 18 A，关断损耗较大；而 IGBT 和 SBD 组合中二极管反向恢复电流却很小，其峰值约为

16、1A。选择肖特基二极管，不仅能降低二极管 VD 工作时的热量，还可以有效的减小反向恢复电流峰值和缩短关断时间，以减小损耗。（SICSIC 肖特基二极管在升压斩波电肖特基二极管在升压斩波电路中的应用分析路中的应用分析雷海峰，温家良，金锐，刘明光雷海峰，温家良，金锐，刘明光 1.1.北京交通大学，北京北京交通大学，北京 100044;100044; 2.2.中国电力科学研究院，北京中国电力科学研究院，北京100192100192）3.2.3 储能电感储能电感 L 的选择的选择在功率开关 V 导通的 Ton 期间内，储能电感 L 上电流的增加量应与在功率开关 V 截止的Toff 期间内储能电感 L

17、上电流的减少量相等。因此就有 Il(+)=Il(-) 式中，(+)表示增加量，(-)表示减少量。储能电感 L 上电流在一个转换周期内变化的峰峰值为：在实际设计和应用中，储能电感 L 上的峰峰值电流 Ii+Il2 不应大于最大平均电流的 20%，这可以避免储能电感 L 的磁饱和，也能达到限制功率开关 V 的峰值电流、峰值电压和功率损耗的目的。一般选择Il=1.4Ii。为了求得与稳压电源转换效率输出电流 Io、占空比 D 和工作频率 F 有关的计算储能电感 L 的实际公式，作如下推导。已知稳压电源转换效率与输入功率 UiIi 和输出功率IoUo 之间的关系式为因此就有整理，可得储能电感 L 的实际

18、计算公式为： 这里虽然推导出了升压斩波电路中储能电感 L 的较为实用的实际计算公式，在实际的应用和调试中，也存在着储能电感 L 的电感量应大于临界电感量 Lc 的问题。为了保证负载最电力电子技术课程设计9小电流电路能够连续，实际电感量应取大于临界电感量 Lc= UoD(1-D) /（2fIo）.3.2.4 输出滤波电容输出滤波电容 C 的选择的选择(1)电容容量：输出电压稳定在所设计的恒定电压值 Uo 上，这时的输出电流为 Io。由于在功率开关 V导通期间负载电阻 R 上的全部电流 Io 都是由滤波电容 C 提供的，所以这时滤波电容 C 上的电流就等于稳压电源的输出电流 Io，并且滤波电容 C

19、 上电压的变化量为输出电压的纹波电压值Uo，此时就有如下的关系式： 可解得：将 D=Uo/(Uo+Ui)，f=1/T 代入，由可得(2)耐压值 Uc：在功率开关 V 截止期间，加在滤波电容 C 两端的电压为输入电压 Ui；在功率开关 V 导通期间，加在滤波电容 C 两端的电压为输出电压 Uo(储能电感 I 上的电压降和二极管 VD 的正向导通管压降 Us 在这里均被忽略掉)。另外，对于升压斩波电路来说，它的主要特性就是输出电压 Uo 比输入电压 Ui 高，这里就取输出电压 Uo。在确定输出滤波电容 C 的标称值时应留有 50的富余量，因此输出滤波电容 C 的耐压标称值应由下式来确定：0.5Uc

20、=Uo，即 Uc=2Uo. 3.2.5 参数计算参数计算按照以上的器件选择原则，根据设计要求，确定电源、功率开关 IGBT、二极管、电容、电感、电阻等相关参数。已知参数：输入电压为 40V；输出电压 80-120V，可计算占空比 D=0.5-0.667，取输出电流为 0.1-5A，R=24-1200，可取 R=40。开关频率 F=100KHz，效率大于 70%，输出电压波纹 1%：Uo=0.4V。功率开关 IGBT：Uceo=1.32*40/0.8=66V，Ic=12.5A，反向击穿电压 200V。二极管 VD：Ud=1.25*120=150V，Id=20A。输出电容 C：根据公式算得 C=2

21、7.8uF，Uc=2*Uo=240V。取 C=100uF。验证：当C=100uF，输出波纹电压Uo=0.25V0.01*Uo=1.2V，符合设计输出电压波纹要求。储能电感 L：保证电流连续，根据公式计算临界电感 Lc=25uH，取 L=200uH。 电力电子技术课程设计10四、控制和驱动电路的设计四、控制和驱动电路的设计在斩波电路的工作原理中，不管是降压型还是升压型电路，它们的工作都是依靠功率开关 V 栅极的驱动信号使功率开关 V 启动、导通和关闭，而工作于导通和截止的功率转换状态中的。这样我们就可以在输出端或功率转换过程中加一取样电路，将输出的电流 Io 和输出电压 Uo 的变化量取出，再经

22、过放大、处理和比较后，形成一个与输出的电流 Io 和输出电压Uo 有关的，也就是能够自动控制和调节驱动信号占空比 D 的驱动信号来控制和驱动功率开关 V 的工作，这就要求对控制和驱动电路进行设计。4.14.1 控制电路设计控制电路设计4.1.1 SG3525 的工作原理的工作原理SG3525 的脚 16 为基准电压源输出，精度可以达到(5.1 士 1%) V,采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。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，同时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

23、输入端、同相输入端，该放大器是一个两级差分放大器。通过电阻电容结合 SG3525 产生锯齿波输入到 SG3525 的振荡器。通过调节，可在 OUT A, OUT B 两端输出两个幅度相等，频率相等，相位相差 180 度,占空比可调的矩形波(即 PWM信号)。电力电子技术课程设计11SG3525 引脚图及结构框图SG3525 各脚功能介绍：1 脚： 误差放大器的反相输入端； 2 脚： 误差放大器的同相输入端； 3 脚： 同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率 fs 要低一些； 4 脚： 振荡器输出； 5 脚： 振荡器外接定时电阻 RT 端，RT 值为 2150 k； 6 脚： 振荡器外接电

24、容 CT 端，振荡器频率 fs1CT（0.7RT+3R0）, R0 为脚与脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容 CT 范围为 0.0010.1F； 7 脚： 振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为 0500； 8 脚： 软启动端，外接软启动电容，该电容由内部 Uref 的 50A 恒流源充电； 9 脚： 误差放大器的输出端； 10 脚：PWM 信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障、保护； 11 脚： A 路驱动信号输出； 12 脚： 接地；13 脚： 输出集电极电压；电力电子技术课程设计1214 脚： B 路驱动信号输出； 15 脚： 电源

25、，其范围为 835 V；16 脚： 内部5 V 基准电压。SG3525 特点：1工作电压范围宽：835V。 25.1（士 1%）V 微调基准电源。3振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz。 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 锁存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。9双路输出（灌电流/拉电流）：500mA(峰值)。4.1.2 控制电路方案选择控制电路方案选择 控制电路主要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，

26、斩波电路可有三种控制方式: 1)保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 Ton,称为脉冲宽度调制(PWM)或脉冲调宽型； 2)保持开关导通时间 Ton 不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调频型； 3) Ton 和 T 都可调，使占空比改变，称为混合型。 其中，以第 1 种应用最多，故本设计也采用 PWM 控制。PWM 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，

27、因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。 本设计中，控制电路以 SG3525 为核心构成。SG3525 为美国 SiliGan General 公司生产的专用 PWM 控制集成电路，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。SG3525 其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等，实现 PWM 控制所需的基本电路，并含有保护电路。PWM 控制电路图如图所示：电力电子技术课程设计13工作原理：通过 Rt, Rd, Ct 结合 SG3525 产生锯齿波输入到 SG3525 的振荡器。其产生的 PWM 信号由 OUT A、OUT B 输

28、出，调节 R4 可以改变占空比。输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11 脚和 14 脚相位相差 180，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为 100ns。于是在 13 脚处接一个约 0.1uf 的电容滤去电压尖峰。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此它适用于中小容量的 PWM 斩波电路。参数计算：由于 SG3525 的振荡频率可表示为 ： )37 . 0(1dttRRCf式中:, 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻，取值范围为 0.001uFtCtRtC到 0.1uF，取

29、值范围为 2k 到 150k，是与脚 7 相连的放电端电阻值；取值范围为 0tRdRdR欧到 500 欧，电阻值较小，形成的锯齿波波形后沿较陡。根据任务要求需要频率为100kHz，所以由上式可取=0.001F, = ,=。因为其震荡频率=2 倍输出tCtRk2 . 6dR200脉冲频率即开关频率 f=202.4kHz/2100kHz，符合设计要求。稳压环节：稳压环节： 如图所示，输出电压 Vo 经 R3 及 R8 分压后作为采样信号，输入 SG3525 脚 1（误差放大器的反相输入端） 。误差放大器的正相输入端接 5.1V 可调的基准电压。输出电压大于所设电压时，此时采样电压便大于所调的基准电

30、压时，误差放大器正相和反相输入端之间的电压差经放大器放大后，调节输出电压，使得 SG3525 的输出信号的占空比变小，输出电压减小，最终使输出电压稳定在设定的电压值，实现稳压功能。根据设计要求，输出电压为 80-120V，可计算出采样电阻 R3=35k，R8=2k（滑动变阻器） 。电力电子技术课程设计144.24.2 驱动电路设计驱动电路设计4.2.1 TLP521 资料资料TLP521 是可控制的光电耦合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化

31、电路设计。常用的为东芝 TLP5211，2 和4 组成的砷化镓红外发光二极管耦合光三极管。 集电极-发射极电压：55V（最小值） 经常转移的比例： 50（最小） 隔离电压： 2500 Vrms （最小） 4.2.2 驱动驱动电路方案选择电路方案选择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到驱动电路。IGBT 是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动 IGBT,因此需要外加驱动电路。驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲 IGBT 的驱动要求动态驱动能力强，能为 IGBT 栅极提供

32、具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则 IGBT 会在开通及关断延时，同时要保证当 IGBT 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。其次能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V 左右的正向栅压比较恰当，取-5V 反向栅压能让 IGBT 可靠截止。而且要具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为20V,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。电力电子技术课程设计15最后当 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。在本设计中，直接采用光电耦合

33、式驱动电路，该电路双侧都有电源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。上图给出了电力 MOSFET 一种驱动电路，控制电路所输出的 PWM 信号通过 TLP521-1 光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大以驱动 IGBT。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。升压电路所用全控型晶闸管 IGBT 是电压型驱动器件，其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，要求驱动电路其有较小的输出电阻。使 IGBT 开通的栅射极间的驱动电压一般取 1520

34、V。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，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。本设计中取 50。所以上图中，正驱动电压为+15V，负驱动电压为-15V，Q1 的型号是 D44H8，Q2 的型号是 D45H8。D44H8 与 D45H8 的 Uce 最大值为 60V，因为该驱动电路中的驱动电压为-15V，+15V，Q1、Q2 选择上述型号较为安全。五、保护电路设计五、保护电路设计在主电路工作时，如果输出端或者负载电路出现短路而造成过流现象，或者由于其他原因造成输出端过压现象，施加于功率开关 V 基极的

35、驱动信号便可将功率开关 V 及时地关断，并使其处于截止状态，即使开关稳压电源停止工作。这样既保护了开关稳压电源电路本身免遭损坏，又保护了负载电路不被损坏。这就是接下来要讲的过流、过压、过热等保护电路的原理与具体设计。电力电子技术课程设计165.15.1 过流保护电路过流保护电路当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。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般

36、采用添加 FU 熔断器来限制电流的过大，防止 IGBT 的破坏和对电路中其他元件的保护。如在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种方法如下图所示，在主电路的负载端串接一个很小取样电阻 R11，R10 和 R15是用来取基准电压的电阻，把基准电压加到比较器的反向端，R9 和 R14 取样的电压通过比较器与基准电压比较，将输出端接到控制电路中 SG3525 芯片的 10 脚。R13*I=0.2*6=1.2V R11，R16 分压得 U4=1.2*R16/（R11+R16）=1V R11=1K R16=5KR10，R15 取基准电压 U5=15*R17/（R12+R17）=0.96V R12=3.5K

37、R10=51K 5.25.2 过压保护电路过压保护电路当输入达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。过压保护我们采用阻容保护，将电阻电容并联在保护器件上，抑制电网中的尖峰电压波，当尖峰波来时，因电容上的电压不变，尖峰波的电压会直接加在与电容串联电力电子技术课程设计17的电阻上，尖峰波的能量被消耗在电阻上，从而立即降低尖峰波的电压幅度。阻容值的选取，查资料知:并联在二极管上的电容值一般为：8(2.5 5) 10fcI，0.367fdII，在此dI取 5A，得电容值为 45pf91pf，我们取

38、C=75pf。并联在二极管的电阻值一般为：(2 4) 535)/dRI，得电阻值为 581166，我们取 R510。负载的过压保护采用在负载端并联取样电阻，取样输入运算放大器同相端，在反相端输入基准电压，当取样电压大于基准电压的时候运算放大器输出高电平，并将高电平给加到SG3525 芯片的 10 脚，此时输出驱动脉冲被封锁，达到故障保护的作用。当关断信号结束，芯片重新启动。Vmax=120V U10=Vcc*R4/（R2+R4）=3.06V R2=115K R4=3K U11=5.1*R5/（R1+R5）=3.06V R1=2K R5=3K过流和过压保护经过两个二极管组成的或门一同接到 352

39、5 的 10 脚，这样无论过压或过流时都能起到保护作用。电力电子技术课程设计185.35.3 过热保护电路过热保护电路过热保护电路主要是用来保护开关稳压电源电路中的功率开关和续流二极管的。当开关稳压电源满负荷工作时间太长，或超负荷工作，或功率开关和续流二极管的散热面积不足，或散热条件变差等原因而导致功率开关和续流二极管的温度迅速上升，并且超过所规定的最大温度限度时，过热保护电路能够将功率开关关断而使稳压电源停止工作无输出。该过热关断电路，温度降低以后正常工作。Vcc:稳定的直流电压，正常时 V*R2/(R1+R2) 0.7VRT7:为负温系数的热敏电阻C1:取小容量电解电容，目的是防止外界干扰

40、动作Vref:为芯片的基准脚。Q1:为三极管VCC=15V.当温度为 45 度时 RT=4.9K，根据公式的 R8=250，C1 取 10uf。除了以上所述的保护电路之外，还有欠压保护电路，开机软启动保护电路等，由于本设计中没有相关的设计，故不再说明。六、部分仿真波形六、部分仿真波形根据所设计的电路图，利用 multisim 软件主电路进行了仿真。其中驱动信号 Ug 占空比设置为 50%，波形如下：电力电子技术课程设计19电力电子技术课程设计20电力电子技术课程设计21七、方案改进七、方案改进7.17.1 改进型升压斩波电路改进型升压斩波电路 为拓宽输出电压调节范围且有效地改善输入电流的畸变，

41、给出如图的改进型升压斩波电路:由电容 C1，C2 对电源进行分压，采用 2 个开关元件进行对电感的蓄能和释放的控制，使得在相同周期内，对充电电流的变化周期缩小 1 倍，可有效地提高升压范围，并减小输入电流的高次谐波。（一种改进型升压斩波电路一种改进型升压斩波电路王志达，侯云海王志达，侯云海 沈阳工程学院学报沈阳工程学院学报 第第 4 4 卷第卷第 2 2 期期 20082008 年年 4 4 月）月）7.27.2 缓冲电路的设计缓冲电路的设计 缓冲电路由电容 C1、电阻 RL、开关 K1 , K2 组成，目的是为了给升压电路提供相对恒定的直流电压，防止冲击电压和冲击电流对功率器件造成损坏。K1

42、 闭合，直流电源接通，起初输入侧滤波电容器上的电压为 0V,接通瞬间产生的冲击电压和冲击电流可能对主功率电路造成损坏。因此，在电源输入和滤波器之间接入限流电阻 R L,，将滤波器的充电电流限制在一定范围内。当滤波电容器充电完毕后，K2 闭合，将限流电阻 RL 短接。限流电阻 RL的取值为 20k。在以上过程中，K3 是打开的。 大电容 C1 也可起到滤波作用，滤去直流电压中的脉动成分。该电容一般来说容量越大越好，但考虑到体积和成本的限制，根据经验可选 50000uf 的电解电容。电阻 R 为系统停止工作后大电容 C1 提供放电回路，将 K3 闭合，即可为 C1 提供放电回路。电阻 R 取值为1

43、0K。（基于基于 SG3525SG3525 的直流升压电源的设计与仿真的直流升压电源的设计与仿真 王川川，赵锦成，邢娅浪王川川，赵锦成，邢娅浪 电气开关电气开关2010.No3)2010.No3)电力电子技术课程设计22增加缓冲电路的主电路图增加缓冲电路的主电路图7.37.3 利用单片机设计控制电路利用单片机设计控制电路STC12C5410AD 单片机是深圳宏晶生产的一种单片机，是宏晶 1T8051 单片机。该型单片机有 4 路 PWM 输出、8 路 10 位 A/D 转换，能满足该电路的需要。输出电压经采样及信号调理以后，送至 STC12C5410AD 单片机，由于 STC12C5410AD

44、 单片机具有 8 通道 10 位和取样保持电路的 A /D 转换器，且有输山 PWMI 驱动信号的功能，能满足该电路的需要，故无需另外设计 A /D 转换电路及 PWM 驱动信号产生电路。通过调用 PI 算法计算调整下次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入、稳压输出的功能利用单片机丰富的 I/O 口和 A /D 转换通道，结合针对 DC2DC 升压系统设计的保护电路，可以构成完善的保护功能。(基于单片机的升压电路设计与仿真基于单片机的升压电路设计与仿真刘毅、王聪刘毅、王聪 机械与电子机械与电子 20112011 年第年第 7 7 期期 ） 电力电子技术课程设计23八、设计总结八、设计总

45、结经过一周半的电力电子课程设计，学到了很多，更认识到了理论与实际结合的重要性，只有理论知识是不够的。我们知道随着社会的发展，电力电子技术应用范围的不断扩大，对于我们电类专业的学生来说，能够掌握电力电子技术不仅会提高我们的竞争力，而且对于我们之后的专业学习有更大的帮助。我们从一开始看到课题的无从下手到通过查找资料梳理出电路的几大部分，开始分别对主电路，控制电路，驱动电路和保护电路进行分析。随着设计的进行，发现的问题也越来越多，不过也加深了我们对电力电子技术这门专业基础课的认识与理解。 每个部分电路的设计都是我们通过各种渠道，包括图书馆借阅书籍，网上检索文献资料获取我们所需要的信息，并对收集到的材料信息进行筛选、对比、计算、分析，然后选出最佳的方案，我们在定参数时碰到问题时会先在组内进行讨论，然后再请教老师，最后解决问题。课程设计培养了我们综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题的能力，而且学会了通过广泛检索有用文献资料来帮助设计的完成。由于我们在此之前先做了电子的课设，所以对 Protel99 和 AD 软件较为熟悉，在画原理图时