升压斩波电路设计说明

1、电力电子系统设计报告(20142015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(Boost Chopper )设计摘要本设计是基于SG3525E片为核心控制的PWW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 PWM6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

2、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，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

3、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PCBK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 ;（ 2014 2015 学年 第二学期） 11概述 42课程设计任务及要求 51.1 设计任务 51.2 设计要求 51.3 设计主流程图 53. 设计理论 63.1 升压斩波工作原理 6主电路工作原理 63.2 数量关系 74. 硬件设计 84.1 升压直流变换器电路总设计概述 84.2 储能电感L 的选择 84.3 输出滤波电容的选择 94.4 驱动电路选择 94.5 保护电路原理介

4、绍 104.6 保护电路的芯片介绍 115. 具体电路设计 136. 心得体会 147. 附录 158. 参考文献 16 1王兆安, 黄俊 . 电力电子技术（ 第四版 ）. 北京 : 机械工业,2000 163 乃国电源技术北京：中国电力，1998 166 汝全电子技术常用器件应用手册机械工业 161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

5、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电路的主电路和控 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 整的主电路原理图和控制电路原理图。2.2 设计要求对Boost电路的主电路和控制电路进行设计。分两组参数，每

6、组参数如下：(1)直流电压E=50V负载中R=2(n , L、C值极大。(2)直流电压E=200V负载中R=20Q , 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，充电电流包为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Uoo设V通的时间为ton , 此阶段L上积蓄的能量为EI it onV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Uo E Iitoff稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释

7、放能量相等EIiL Uo E Ii1化简得：Uoton-tofE EtofftoffT/toff 1,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。T/toff升压比，调节其即可改变Ud将升压比的倒数记作B ,即t offT和导通占空比，有如下关系:因此，可表小为Uo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开的作用 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 ,则此段时间电感L释放能量为：（U0-E） I1t稳态时，一个周期时间中L积存的能

8、量与释放的能量相等：U = - E - E9 t -f -anonT/t off >1,输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。T/t off 升压比；升压比的倒数记为B,即0= toff /T。又因为a+B =1 所以：UF E=1be电压升高得原因：电感L储能使电压泵开的作用，电容可将输出电压保持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Uoo把输出电压Uo通过降压后得到的信号Uco反馈

9、给A/D转换电路，再通过比较器判断电压是否过压， 过压则单片机输出恒高电平，是MOSFET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、斩波电路和保护电路组成。4.2 储能电感L 的选择电感电流包括直流平均植和纹波分量两部分，其电流平均值如下确定。假定忽略电路的部损耗，电路中开关f设为1KHz则Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是从电源Vi*Ii=Vo*Io, 其中 Ii 是从电源Vi 取出平均电流, 也是流入电感的平均电流IL,以下中Vi=E=24V， V0=U0=60V,P0=40W,I0=0.67A Vo= Vi*T

10、/toff, 和保护电路组成。Vo= Vi*T/toff, 故有Ii= Vo*Io/ Vi=Io*T/toff选择A I=Vi*ton/L=1.4Ii ,则电感 L 为 L= Vi*ton/1.4Ii ton=T*( Vo- Vi)/ Vo=(Vo-Vi)f*V0 假定忽略部的损耗，则Vi*Ii=Vo*I0故有Ii= Vo*Io/ VI因此 L= Vi*ton/1.4Ii= Vi 2 *( Vo- Vi ) /1.4f * Vo 2 *I0已知输出电压Vo、输出电流Io、输入电压Vi和开关频率f,就可求出电感值。WJ:L <242 (60-24) /1.4*1000*60 2 *0.67

11、=0.00617H因此L的规格选为LGC0410其电感量为0.15uH56uH额定电流围为1.85A 300mA4.3 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A Vo,由式得C=Io*(ton/ A Vo)由式，求得 ton=T*(Vo-Vi)/Vo故有 C= T*Io*(Vo-Vi)/Vo* A Vo = Io*(Vo-Vi)/f*Vo* A VoA Vo< 24*10%=2.4vC< 10*(60-24)/1000*2.4*60=0.000167F4.4 驱动电路选择IGBT的门极驱动条件密切

12、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)由于是容性输出输出阻抗；因此旧GT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)用低阻的驱动源对门极

13、电容充放电，以保证门及控制电压 uGSW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，RGR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 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

14、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的控制系统，IGBT 驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PW旗口驱动能力及其与IGBT的接口电路的

15、设计直接影响到系 统工作的可靠性。因此本文采用 SG352殷计出了一种可靠的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，下图是过流保护电路图。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10Q,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的输出弓|脚P1.5输出包为低，从而光耦驱动停止，驱动电路产生负驱 动电压，从而关断MOSFET,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。

16、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：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，是因为其部有一个 8通道多路开关。 是目前国应用最广泛的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100、s（时钟为640kHz时），130卜s （时钟为500kHz时）

17、4）不需零点和满刻度校准，模拟输入电压围 0+5V。5）单个+5V电源供电6）工作温度围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW。部结构：0809是CMOSt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和不控整流电路得到50V的直流电压E作为 Boost Chopper的输入电压给Boost Chopper供电。为使IGBT在过压时不至 于损害和抑制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和过压保护电路是必要的。触发电路以专用的PWM6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

18、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I GBT的开通和关断。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