升压斩波电路设计方案zl

PAGEPAGE6电力电子技术课程设计报告题目：升压斩波(ｂoostcｈopｐeｒ)电路设计目录前言**＊＊*＊*＊＊＊**＊*＊*＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊*＊＊＊**＊*＊＊＊**＊２MＡＴlAB仿真设计＊*＊＊*＊＊**＊*****＊＊*＊＊*＊＊＊*＊＊**＊＊＊*＊****6硬件实验＊***＊*＊＊**＊**＊*＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊****＊*＊＊＊＊＊＊＊＊＊*＊＊１4参考文献**＊*＊*＊***＊＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊＊***＊＊＊*＊＊*＊＊＊＊＊*＊＊＊19附录一设计任务书＊***＊*＊*＊＊＊***＊＊**＊＊＊＊＊**＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊2０附录二PRＯTEL简介****＊＊＊＊＊＊*＊**＊＊***＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊*＊**＊＊＊*＊＊21附录三MＡTLAB简介*＊**＊＊*＊＊*＊＊＊＊*＊＊*＊*＊*＊＊＊**＊**＊＊*＊**＊***24升压斩波电路（BoｏｓtChopper)设计一、前言1。BoostCｈopｐer工作原理:图1。1升压斩波电路图图1。1中假设L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EI1tonV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化简得:(1），输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。也称之为ｂoｏst变换器-—升压比，调节其即可改变Ｕo。将升压比的倒数记作，即。和导通占空比有如下关系：（２)因此，式（1）可表示为(３）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升的作用，电容C可将输出电压保持住。２.升压斩波电路的典型应用：直流电动机传动单相功率因数校正（ＰowerＦaｃｔｏrCｏrrｅctiｏｎ—PＦＣ）电路用于其他交直流电源中用于直流电动机传动时图1。２用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际L值不可能为无穷大,因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态电机反电动势相当于图1.１中的电源，此时直流电源相当于图1.１中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器.电路分析基于“分段线性”的思想进行解析V处于通态时,设电动机电枢电流为i１，得下式(5)式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和.设i1的初值为I10,解上式得（６)当Ｖ处于断态时,设电动机电枢电流为ｉ２,得下式：（７）设ｉ2的初值为I20，解上式得：（8）用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形:图1．3电流连续升压斩波电路波形图１。４电流断续升压斩波电路波形当电流连续时,从图1.３的电流波形可看出,ｔ=toｎ时刻i1＝Ｉ20，t=toff时刻i２=Ｉ10,由此可得：（9）(10）把上面两式用泰勒级数线性近似，得（11）该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io,即(12）对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为(13)根据此式可对电路的工作状态作出判断。3．设计目的通过对ＢoｏstChopper电路的设计，掌握BｏoｓtChoｐper电路的工作原理,综合运用所学知识，进行BoosｔChｏｐper电路和系统设计的能力。了解与熟悉ＢｏoｓtＣhopｐer电路拓扑、控制方法。理解合掌握BoｏstChoppeｒ电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。遇有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力4．设计内容及要求对BoosrChopｐer电路的主电路和控制电路进行设计。参数如下：直流电压Ｅ＝50V,负载中R=20Ω，Ｌ、Ｃ值极大，＝３0Ｖ设计要求：理论设计：了解掌握BooｓtChoｐper电路的工作原理，设计ＢooｓtＣhoppeｒ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列出主电路所用元器件的明细表仿真实验:利用Matlａｂ仿真软件对BoｏｓtChｏｐｐｅr电路主电路和控制电路进行仿真建模,并进行仿真实验。实际制作：利用PROTＥl软件会出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外形尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计ＰCＢ印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。二、MATlAB仿真设计主电路原理图如图2．１所示其工作原理,前言中已说明,这里再补充说明电路中的几个模块.IGＢＴ用理想的方波发生器触发,周期设为0。002s，最大值设为10Ｖ,通过调占空比来调输出电压。其保护电路，触发电路将在pｒotｅl中实现。示波器用来观察电感电流，电源电压波形和负载电压输出波形图2。1主电路原理图仿真结果与分析1.要求输出电压为100V,=20的波形图2。1占空比为50％,＝２０时的波形要求输出电压为１00V,=3０时的波形图２．2占空比为5０%,=3０时的波形要求输出电压为1００伏，＝50时的输出波形图2。3占空比为５0％，=50时的波形由仿真波形可看出，当占空比不变时,随着电压的增加，峰值电压逐渐减小，震荡幅度减小,电路安全行，稳定性提高。占空比,一定，改变LC的取值,研究其对电路的影响，并求出最佳ＬC组合占空比为50％，=3０V，Ｌ=1０H,Ｃ=10F时的波形：图2.4占空比为50%,=30Ｖ,L=1０Ｈ，Ｃ＝10F时的波形占空比为５0%,＝30V,L=２0H,C=20F时的波形：图2。5占空比为5０%，=３0V，Ｌ=２0Ｈ，C=１0F时的波形E、R、QUOTＥ不变Ｌ＝１０ｅ—３Ｈ、α=50%时,只调节电容C的值输出电压波形C=５0e－3F时输出波形图2.６Ｃ=５0ｅ-３F,Ｌ=１０e－3H，α=5０％时的波形C＝２e—3Ｆ时输出的波形图２．７C=２ｅ—３Ｆ，Ｌ=10e-3H，α=5０%时的波形Ｅ、R、的值不变QUOTEＣ=10ｅ-３F、α＝50时,只调节电感L的值输出电压波形L=5０e－３H时的输出波形图2．8C=５0e－3F,Ｌ=５０ｅ—３Ｈ,α=50％时的波形L=2e－3H时的输出波形图2．9C＝50ｅ—3F，L=2e－3Ｈ，α＝50％时的波形E、Ｒ、的值不变QＵＯTＥＬ=１0ｅ—３H、C=10ｅ-3F时，调节占空比的输出电压波形占空比α=20%时输的波形图２．1０C=10e—３Ｆ,Ｌ=１０－3ＦH，α=20%时的波形占空比α=50%时输的波形图２.1１C=10ｅ-3Ｆ,L＝10-3ＦH,α＝5０%时的波形占空比α=8０%时输的波形图2.12C＝1０e－３F，Ｌ=10-３ＦH,α=８0％时的波形由以上单一变量的仿真图形分析可得：占空比α越大负载输出电压越大，调节时间越长电容C值越大峰值时间越大,第一个峰值越大电感Ｌ值越大峰值时间越大，调节时间越大在实际中可根据项目的大小、设计的实际要求及成本的大小选取适当的电感电容值，以达到设计的要求.(可以在一些经验值附近选取电感电容值，滨进行反复的试验最中确定自己需要的电感电容值）这里仅根据要有良好的直流稳定性和快速性，在α=5０时经过大量的仿真实验选取的一组理想的电容电感值,及其此时的输出波形。经大量仿真结果比较分析可得，当L=10e—3H、Ｃ=１0e－3Ｆ是波形的快速性和直流稳定性比较理想.此时波形如图2．4所示。仿真实验结论通过仿真实验和对仿真实验得到的输出波形的分析可知，在直流生涯斩波电路中电感电容的对其负载电压的影响。虽然理想的电感电容值为无穷大，但这在现实设计中是不可能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小成本成为矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也将和Boost启动时调节时间成为矛盾。所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取合适的电感电容值!三、硬件实验硬件电路硬件电路的工作原理分析外接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BｏostＣhｏpper的输入电压给BｏostＣhｏpｐer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PWM控制芯片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IＧBT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ＢoosｔChopｐer输出电压。硬件电路图如下页图2-１5所示。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ＢｏｏstＣhoppｅｒ输出电压。占空比越大,ＢoｏstＣｈoｐpeｒ的输出电压值越大．图2—15ｂoｏｓtchoppｅr触发电路及主电路图元器件的选取及计算本硬件试验中缓冲电路选取的是充放电型ＲＣＤH缓冲电路，也是一种耗能型缓冲电路。其中应用元件需要要结合实际的情况进行选择。其中的吸收电容的选择可以采用一下公式:电路中的电阻Ｒs不宜过大,如太大放电时间过长,电不能完全放掉。但Rs太小,在器件导通时，Rs放电电流过大、过快,可能危及器件的安全，也可能引起振荡.一般的，电阻选择参考下面的公式：其中Ls—主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；上的最大充电电压；-电源电压；Ｉo－负载电流；—开关频率.需要注意的是，电容应该选择无感电容；电阻要注意它的功耗,应选择相应的功率电阻；吸收模块的制作要注意绝缘。IGBTG过压保护电路、触发电路和驱动电路中元器件的选取可才参照电力电子设备设计和应用技术手册等相关电力电子设计手册也可以在后面参考文献列出的相关手册中查找。硬件实现利用PＲOTEＬDＸP做得自动布线图如下图2－1６自动布线图参考文献：【1】《电力电子技术》西安:王兆安黄俊机械工业出版社【2】《电力电子设备设计和应用技术手册》北京：机械工业出版社【３】《电力电子技术基础》北京:林渭勋机械工业出版社【4】《电力电子器件基础》北京:陈治明机械工业出版社【５】《现代电力电子技术》北京：张立，赵永健科学出版社【6】田健，郭会军，王华民，等大功率ＩＧBT瞬态保护研究力电子技术【7】《HYＰＥRLＩＮK＂http:／/wwｗ.aｍａｚoｎ．cn／mn／ｄetailAｐp?qiｄ=１24１88６６５４＆rｅf＝SR＆sr=１3—1＆uid=476-7０9８６７７-５１55７0６&pｒodｉd=zjｂk１578６0"电力电子技术手册》（精)/国外电气工程名著译丛机械工业出版社(2０04—01出版）四、课程设计总结通过这次设计,使我加深了对书本知识的理解，特别是对升压斩波电路相关内容有了更深刻的认识和理解，另外,此次设计内容不仅仅只涉及了直流斩波系列电路，还有与主电路相配套的触发电路、保护电路设计，扩大了我的知识面,为以后课程设计、毕业设计打下知识基础。同时,通过对各部分电路的仿真分析，原理图的绘制,PCB板的设计，使我对MATLＡB,simulｉnｋ和pｒotel等软件有了一个很好的学习机会，基本掌握了这些软件的使用和调试方法，提高了理论分析能力，大大简化了我们的设计时间和步骤.在设计初期由于缺少经验，有很多问题没有考虑到，例如触发电路中所用的光电隔离保护环节,对IGＢT的过压过流保护环节,其实这些内容在书本上都有提到,也有相应的介绍和处理电路。最后感谢老师的指导与帮助，给我提了宝贵的意见，使这次课程设计做得比较成功，虽然没要求做出实物，我们也只做了仿真跟绘图,但仿真实验还是得到了理想的波形，与理论结果基本相似,其可能出现误差的原因也在前面给出了分析.此次课程设计过程中使我学到了很多各方面的知识，是我今后深入学习的基础和动力，以后我一定会珍惜这种机会好好学习。附录一设计任务书题目六升压斩波电路设计设计目的通过对ＢoostＣhｏpper电路的设计，掌握BoosｔChoｐpｅr电路的工作原理，综合运用所学知识,进行BooｓｔＣｈopｐｅr电路和系统设计的能力.了解与熟悉BoostChopｐer电路拓扑、控制方法.理解和掌握BoｏｓtCｈｏpｐer电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握原件的选择计算方法。具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。设计内容及要求对BoｏｓtChｏpｐer电路的主电路和控制电路进行设计。该题目分两组,每组参数如下：第一组:直流电压Ｅ=5０Ｖ，负载中R=２0Ω,L、C值极大，=30v第二组：直流电压E＝200V,负载中R＝２０Ω,L、Ｃ值极大。本设计选取的是第一组参数设计要求理论设计:了解掌握ＢoostChoppｅr电路的工作原理，BoｏstChoppeｒ电路的主电路、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；列出主电路的所用的元器件的明细表。2、仿真实验:利用NＡTＬAＢ仿真软件对BooｓtChopｐer电路主电路和控制电路进行仿真建模,并进行仿真实验。实际制作:利用PＲOＴＥL软件会出集体的所用元器件管脚数、外形尺寸、实际散热和抗干扰等因素,设计ＰCB印刷电路板。最后完成系统电路的组转、调试。附录二PＲOTＥL简介PＲＯＴEＬ:ＰROTEＬ是PＯRTEL公司在80年代末推出的EＤＡ软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EＤＡ软件的前面，是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROＴEL。早期的PROＴＥL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在ＤOS环境，对硬件的要求很低,在无硬盘2８6机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEＬ已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDＡ软件，完全安装有20０多Ｍ,它工作在ＷIＮDＯWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Cｌient/Sｅrver(客户/服务器）体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD，PＳPICＥ，EXCEＬ等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PＲＯTEＬ软件较易买到，有关PＲOTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEＬ的软件功能或者下载PRＯＴＥL９９的试用版,可以在INTERNET上访问它的站点：ＨYPERＬINＫ＂HTTＰ:／/ＷWW.PROTEL.COM"HＴＴP：/／WＷW。PROTEL．COM这款最新高端版本AltｉuｍＤｅｓiｇner6。除了全面继承包括9９SE，Ｐroteｌ２00４在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。AltｉumDesigner６.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FＰGＡ设计功能和SOＰC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的ＦPＧA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。首先：在PCB部分,除了Protel2０04中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能；SitｕsＴM自动布线器等新功能以外，AｌtiｕｍＤesｉgｎer6。０还着重在:差分对布线，ＦPＧＡ器件差分对管脚的动态分配，PCB和ＦPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有ＰCB文件切片，PCＢ多个器件集体操作，在ＰCB文件中支持多国语言(中文、英文、德文、法文、日文）,任意字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂BGA器件的多层自动扇出,提供了对高密度封装(如BGA）的交互布线功能,总线布线功能,器件精确移动,快速铺铜等功能。交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局，支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具．ＡｌtiumDesignｅr6。０对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FＰGＡ项目内部定义的ＬＶDＳ信号的物理设计进行自动映射。ＬVＤS是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。ＡｌｔiｕｍＤeｓｉgnｅr可充分利用当今ＦPＧＡ器件上的扩展Ｉ/Ｏ管脚。其次,在原理图部分，新增加“灵巧粘帖”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中,比如一些网络标号,一页图纸的BOM表，都可以拷贝粘帖到原理图当中。原理图文件切片,多个器件集体操作，文本筐的直接编辑，箭头的添加，器件精确移动,总线走线,自动网标选择等！强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、ＶＨDＬ开发和功能仿真、布线前后的信号完整性分析功能。在信号仿真部分,提供完善的混合信号仿真，在对XSPICＥ标准的支持之外，还支持对Psｐice模型和电路的仿真。对ＦPＧA设计提供了丰富的ＩP内核,包括各种处理器、存储器、外设、接口、以及虚拟仪器.第三在嵌入式设计部分，增强了JＴＡG器件的实时显示功能,增强型基于FPＧA的逻辑分析仪,可以支持３2位或6４位的信号输入。除了现有的多种处理器内核外，还增强了对更多的3２位微处理器的支持,可以使嵌入式软件设计在软处理器,ＦPGＡ内部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。使用了Wiｓhｂone开放总线连接器允许在ＦPGA上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处理器上。附录三MATLＡB简介MATLAB是美国MathＷoｒks公司出品的商业HYPEＲＬINK”http：／/ｂaｉｋｅ．ｂ／ｖiew/1658６37。hｔm"＼t”＿bｌanｋ”数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和ＨＹPＥＲLINＫ"ｈttp：/／ｂaikｅ．bａidu。ｃoｍ/viｅw/５８4919．ｈtm"\t＂_ｂｌａnk”Sｉｍuliｎｋ两大部分。ＭAＴLAB是矩阵实验室（ＭatrixLａｂoraｔoｒｙ）的简称,和HYPEＲLＩＮK"httｐ：//ｂaｉke．ｂａｉｄ/vieｗ／3０６08．htm＂\t”_ｂｌａnk”Matｈematiｃa、HYPERLＩＮK"ｈtｔｐ：/／bａike.baｉ/vieｗ/１27864。htｍ”＼t＂＿bｌａnｋ"Mapｌe并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在ＨＹPERLIＮＫ"hｔtｐ:／/baikｅ.bａiｄｕ.com/ｖｉｅw／9２06９5.htｍ＂＼t＂_blａnｋ＂数值计算方面首屈一指。ＭAＴLAB可以进行HYＰERＬINK＂hｔtp：//baiｋｅ．ｂaidu。ｃｏm/vｉｅw/1０337．ｈtｍ”＼t”＿bｌanｋ＂矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、HYＰERＬIＮＫ＂htｔｐ：／/ｂａｉke．baidｕ.com/vｉew／１466２。ｈtｍ＂＼t＂＿blaｎｋ"图像处理、ＨＹPERLＩＮK”ｈｔtp：/／bａｉke.bａidu.cｏm/vｉeｗ/13４5304。htｍ"\t"_ｂｌaｎｋ＂信号检测、金融建模设计与分析等领域。ＭATLＡB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MAＴLAＢ来解算问题要比用C，FOＲTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且ｍathwｏrk也吸收了像Mapｌe等软件的优点,使ＭATＬAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对HYPERＬIＮK"http:/／ｂaike。ｂaｉdｕ.com/view／10０7５.ｈｔｍ”\ｔ"_ｂlaｎk＂C，HYPＥRLINK”ｈｔｔp：//bａike。bａidｕ．ｃom/vｉew/3640２.htｍ＂\ｔ"_blaｎk＂FORＴRAN，HＹPERLIＮK”hｔtｐ://baｉｋe.ｂaiｄｕ。cｏm/ｖiｅw/82４.htm"\ｔ”_blａnk”C++，HＹPＥRLＩＮＫ”ｈｔｔｐ：／／baiｋe.ｂａidｕ．cｏm／ｖｉeｗ/29。htm"\ｔ"＿ｂlａnk＂JAVA的支持