升压斩波电路设计...doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date升压斩波电路设计.升压斩波电路设计.电力电子技术课程设计报告题 目： 升压斩波电路设计 学 院：专 业：学 号：姓 名：指导教师：完成日期：升压斩波电路设计(一) 设计任务书（二） 设计说明书目 录一 matlab仿真原理1 升压斩波电路工作原理1.1主电路工作原理1.2 IGBT驱动电路选择2 仿真实验2.1仿真模型2.2仿真实验结果及分析2.3仿真实验结论2.4

2、最优参数选择二 硬件实验2.1 硬件电路2.1.1整流电路2.1.2斩波信号产生电路2.1.3斩波电路2.1.4总原理图2.1.5元器件列表2.2 PCB印刷电路板2.3 制造输出final 三 课程设计总结参考文献摘要本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（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PWM控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的特点，使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形和控

3、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电路板设计软件中占了绝大部分比重。本设计也采用Prot

4、el设计原理图，和进行PCB板布线。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;SIMULINK ; PWM;Protel引 言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

5、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。一 matlab仿真原理1. 升压斩波工作原理1.1 主电路工作原理假设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EI1ton()offotIEU1-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

6、（1-1）化简得： （1-2），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。升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作，即。b和导通占空比，有如下关系： （1-3）因此，式（1-2）可表示为 （1-4）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1.2 IGBT驱动电路选择 IGBT的门极驱动条件密切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

7、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IBGT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)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、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+1

8、5V；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，RG较大，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GE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

9、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PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。2. matlab仿真实验物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，

10、且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用Matlab自带的动态仿真集成环境-Simulink进行仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。2.1 仿真模型Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能

11、强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。该设计的仿真模型如图1所示：图1 simulink 仿真模型图simulink 仿真模型图中DC voltage source 是电压源，提供50V点直流电压。L为电感。Diode为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动。C为电容。IGBT为斩波器件，R为负载。Current Measurement1 用来测量流经L的电流。Current Measurement2用来测量负载电流。Current Measurement3用来测量流经电容C的电流。current 为流经IGBT的电流，IGBT voltage 为IGBT两段的电

12、压。Scope为示波器。Pulse Generator为PWM脉冲发生器，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。2.2 仿真实验结果及分析 周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100时进行仿真，仿真结果如下：图2-0-1 负载电压98.2V图2-0-2 流经电感L的电流值为0.982A由图2-0-1中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即 （V） 满足理论计算公式（ 1-4 ），由仿真结果知，原理图设计是对的。 负载不变为100，频率1KHz，占空比从5%到95%以等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。 占空比5

13、%图2-1-1 负载电压51.8V图2-1-2 流经电感L的电流值为0.518A从图2-1-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算： （V） 占空比15%图2-2-1 负载电压57.4V图2-2-2 流经电感L的电流值为0.57A从图2-2-1负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算： （V） 占空比25%图2-3-1负载电压65.5V图2-3-2 流经电感L的电流值为0.65A从图2-1负载电压可以看出负载电压约为65.5V，基本上符合理论计算： （V）占空比35%图2-4-1 负载电压75.6V图2-4-2 流经电感L的电流值为0.75A从图2-4-

14、1负载电压可以看出负载电压约为75.6V，基本上符合理论计算： （V） 占空比45%图2-5-1 负载电压89.3V图2-5-2 流经电感L的电流值为0.89A从图2-5-1负载电压可以看出负载电压约为89.3V，基本上符合理论计算： （V） 占空比55%图2-6-1 负载电压109.1V图2-6-2 流经电感L的电流值为1.09A从图2-6-1负载电压可以看出负载电压约为109.1V，基本上符合理论计算：（V） 占空比65%图2-7-1负载电压140.2V图2-7-2 流经电感L的电流值为1.042A从图2-7-1负载电压可以看出负载电压约为140.2V，基本上符合理论计算：（V） 占空比7

15、5%图2-8-1 负载电压196.2V图2-8-2 流经电感L的电流值为1.962A从图2-8-1负载电压可以看出负载电压约为196.2V，基本上符合理论计算：（V） 占空比85%图2-9-1 负载电压325V图2-9-2 流经电感L的电流值为3.25A从图2-9-1负载电压可以看出负载电压约为325V，基本上符合理论计算：（V） 占空比为95%图2-10-1 负载电压942V图2-10-2 流经电感L的电流值为9.42A从图2-10-1负载电压可以看出负载电压约为942V，基本上符合理论计算：（V）2.3 仿真实验结论由图（图2-0），在占空比为50%时，输出电压可以看到负载两端的电压与输入

16、电压基本上成2倍的关系。即( 1-5 ) 满足理论计算公式 （ 1-4 ），由仿真结果知，该原理图设计是对的。2.4 最优参数选择OOEOOE图 3-1 电流连续图 3-2 电流断续当IGBT处于通态时，设电动机电枢电流为，得下式： ( 1 - 6 )式中，R为电动机电枢回路电阻与线路电阻之和。设的初值为，解上式得： ( 1 7 )当IGBT处于断态时，设电动机电枢电流为，得下式： ( 1 8 )设的初值为，解上式得： ( 1 9 )当电流连续时，从图 3-2 的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得： ( 1 10 ) ( 1 11 )故由上两式求得： ( 1 12 ) ( 1 13

17、)把上面两式用泰勒级数线性近似，得 ( 1 14 )该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值，即 ( 1 15 )当电流断续时的波形如图 3-2所示。当=0时刻 =0，令式 （1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即 ( 1 16 )当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即 ( 1 17 )根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。（升压斩波工作原理引用自书籍王兆安、刘进军，电力电子技术第五版）二、硬件实验2.1 硬件电路2.1.1 整流电路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. 对整流出来的电压进

18、行傅里叶变换得，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4所示：图 4 protel原理图输入端接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

19、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）。2.1.2 斩波信号产生电路 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力，是一款性价比相当

20、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 5所示：图 5 驱动电路仿真图工作原理：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。2.1.3 斩波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。

21、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。原理图如下图6所示：图 6 主电路仿真图左边接经整流之后的50V电压。右边为斩波电压输出，J2为测试点。V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。Q1为IGBT，D1为电力二极管，L2为电感，C1为电容，R1为负载。原理分析：首先假设电感L值很大，电容C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，50V电源向L2充电，充电基本恒定为,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值，记为。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积储的能量为。当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并

22、向负载R提供能量。设V处于段态的时间为，则在此期间电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即 （2-1）化简得 （2-2）上式中的，输出电压高于电源电压。式（2-1）中为升压比，调节其大小即可改变输出电压的大小。2.1.4 总原理图图形如下图7所示。其中J1为市电插口，P1接15V驱动,P2为驱动IGBT的PWM信号T1为变压器，将220 V市电转换成频率不变的55V交流电（题目要求整理输出50V，由于元器的阻抗会分压，故把输入电压提高5 V，此时变压器变比为T1：T2=4:1）。变压器变压后输入到由D2、D3、D4、D5四个整流二极管组成的整流电

23、路输入端 。经整流后电压含有较大的纹波，故通过L1、C2组成的LC低通滤波器进行滤波。滤波后输出的电压就比较平滑了。接下来就是由电感L2、斩波器件IGBT Q1，电力二极管D1、电容C1组成的升压斩波电路（Boost Chopper）.改变驱动信号PWM的占空比就可以调节输出到负载R1两端电压，J2是负载两端的电压测试点，接至示波器就可以看到输出电压。图 7 总原理图2.1.5 元器件列表本系统除了PWM信号产生电路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具体见下表 1（元器件清单）：表1 元器件清单CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuant

24、ityCap Pol1Polarized Capacitor (Radial)C1, C2, C4RB7.6-15Cap Pol13CapCapacitorC3RAD-0.3Cap1Diode 1N54073 Amp Medium Power Silicon Rectifier DiodeD1, D2, D3, D4, D5DIO18.84-9.6x5.6Diode 1N54075Diode 1N4148High Conductance Fast DiodeD6, D7DIO7.1-3.9x1.9Diode 1N41482Plug AC FemaleIEC Mains Power Outlet

25、, EN60 320-2-2 F Class I,PC Flange Rear Mount, Chassis SocketJ1IEC7-2H3Plug AC Female1SocketSocketJ2PIN1Socket1Inductor IronMagnetic-Core InductorL1, L2AXIAL-0.9Inductor Iron2Header 2Header, 2-PinP1, P2, P3HDR1X2Header 23RF1S40N1040A, 100V, 0.04 Ohm, N-Channel Power MOSFETQ1TO-262AARF1S40N101D44H8NP

26、N Power AmplifierQ2TO-220D44H81D45H8PNP Power AmplifierQ3TO-220D45H81Res2ResistorR1, R2, R3, R4, R5, R6AXIAL-0.4Res2610kPotentiometerR7VR5RPot1Trans EqTransformer (Equivalent Circuit Model)T1TRF_4Trans Eq1SG3525ANRegulating Pulse Width ModulatorU1DIP16SG3525AN1Optoisolator14-Pin Phototransistor Opto

27、couplerU2DIP-4Optoisolator11表 1-12.2 PCB印刷电路板PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。现在常用的PCB板主要有单面板和双面板，单面板没有双面板好布线，但是在实验室容易制作

28、,而且成本也要低，适合低密度的电路。本设计采用单面板，节约了一定得经费，手工布线，考虑散热，和抗电磁干扰，本设计增加了相应的规则，同时覆了铜，从而有效的优化了布线，提高了散热性能，和增强了抗电磁干扰。整块板子性能得到了很大的改善。足以满足题目要求PCB板见下图8-1（二维）、8-2（三维正面）、8-3（三维反面）所示：图 8-1 印刷电路板2维视图图 8-2 印刷电路板3 维视图正面 图 8-3 印刷电路板3 维视图反面2.3 制造输出final下面的文件可以直接拿到工厂里去生产，或者自己在实验室里做：图 9 导线和覆铜的布置图图 10 元器件标识符图图 11 过孔图图9为导线和覆铜，如果在实

29、验室做的话就直接打印到菲林纸上，然后热转印到铜板上，最后腐蚀一下就可以得到板子上的导线和覆铜。图10为元器件标识符，一般只有在工厂里才能打印到板子上。图11为过孔。三 课程设计总结电力电子技术的应用范围十分的广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。1、 一般工业。工业中大量应用各种交直流电动机。2、 交通运输。电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电动汽车的电动机依靠电力电子装置进行电力电子变换和驱动。3、 电力系统。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子技

30、术。4、 电子装置用电源。各种信息技术装置都需要电力电子技术提供电源。如今，我们所使用到能源中电能占了很大的比重。电源具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。而电力电子技术正是与这一主题相关联的。我们的课程设计专题是直流升压斩波电路，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。课程设计的主要目的，就是要我们将学习了一个学期的电力电子技术理论知识运用在实践中，通过老师给我们布置的课程专题，通过上网查找资料，小组之间相互

31、探讨互相学习相互促进。理论知识是实践的基础，实践是对于理论知识的应用。在这次课程设计里，我们收集了许多关于升压斩波电路的资料，通过小组成员的分析和研究，完成老师要求的升压斩波的电路设计，然后将设计的电路进行软件仿真得出波形，通过计算和数据比对判断我们设计的电路是否符合要求是否能实现升压斩波的功能，然后再讨论和修改，就是这样在一步步动手设计课程中更加完善对理论知识的掌握，同时也锻炼了我们的实践能力。 在课程设计中，对仿真软件和电路图设计软件的应用十分关键，虽然此次我们的课程设计中不包含电路板的制作，但是需要PCB电路板的布线，在实物操作之前我们所有的设计程序全部都是用仿真软件和电路设计软件，所以

32、我们在课设前需要熟悉掌握我们所需要用到的软件。在仿真的过程中，我们对matlab在仿真中的应用有了进一步的了解和掌握。Matlab在电力电子方面的仿真应用时，可以将电力电子电路输出效果图形化，形象直观，可以帮助我们对电路的理解。在制作PCB板的过程中，我们对protel的各种功能也有了一定的掌握，也让我明白了理论和实际有很大差别。经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实物。在整个课程设计中，我学到了很多东西，同时也培养了我独立工作的能力，大大提高了我的动手能力，树立自己对工作能力的信心，使我充分体会到了再创造过

33、程中探索的艰难和成功时的满足感，相信会对今后的学习工作生活有很大的积极影响。这次课程设计能够圆满的结束，非常感谢几位老师的耐心指导，最重要的是我们全组成员的共同努力和相互配合。我相信只要团结和努力，认真去做一件事情，都会取得意想不到的收获。参考文献王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).北京: 机械工业出版社,2000康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统(第二版).北京:电子工业出版社,2008施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程.北京:北京大学出版社,1999张义和.Protel DXP电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,2003-