升压斩波电路设计zl.docx

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1、电力电子技术课程设计报告题目：升压斩波boost chopper电路设计目录前言*2MATlAB 仿真设计*6硬件试验*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Boost Chopper设计一、前言101. Boost Chopper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 I 1 ， 同 时 C 的 电压向负载 供电， 因 C 值很大 ， 输出 电 压 u o 为 恒值，记 为 U o 。设 V

2、 通 的 时 间 为 t o n ，此 阶 段 L 上积 蓄 的 能 量 为 EI 1 t o no f fo1 o f fV 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 t ， 则 此 期 间 电 感 L 释 放 能 量 为 (U - E )I t稳 态 时 ， 一 个 周 期 T 中 L 积 蓄 能 量 与 释 放 能 量 相 等EI t1 on= (Uo- E )I t1off化 简 得 ：t+ tTU= onoff otoffE =E toff 1 T / toff 1 ， 输 出 电 压 高 于 电 源 电 压 ， 故 称 升

3、 压 斩 波 电 路 。 也 称 之为 bo os t 变 换 器T / t 升压比， 调整 其即可转变 U o 。 将升压比的 倒数记作offb， 即 b = to f f。 b和导通占空比 a有 如下关系：Ta + b = 1因 此 ， 式 1 可 表 示 为 2 11Uo = b E = 1 - a E 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：1 )直 流 电 动 机 传 动2 )单 相 功 率

4、因 数 校 正 P ow e r Fac t o r C or r e c t i o n P FC 电 路3)用 于 其 他 交 直 流 电 源 中4 )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a ) 通 常 用 于 直 流 电 动 机 再 生 制 动 时 把 电 能 回 馈 给 直 流 电 源b ) 实 际 L 值 不行能为无 穷大，因此 有电动机电枢 电流连续和断 续 两 种 工 作 状 态c ) 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

5、 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 i ， 得 下 式1d iL1d t+ Ri = E1m 5 式 中 R 为 电 机 电 枢 回 路 电 阻 与 线 路 电 阻 之 和 。设 i 1 的 初 值 为 I 1 0 ， 解 上 式 得- tE- t i= Ie t110+ mR1 - e t 6 当 V 处 于 断 态 时 ， 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i 2 ， 得 下 式 ：d idL2+

6、 Ri= E t2m- E 7 设 i 2 的 初 值 为 I 2 0 ， 解 上 式 得 ：- tE - E- t i= Ie t-m 1 - e t R220 8 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用 于 直 流 电 动 机 回 馈 能 量 的 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 = t o n 时 刻 i 1 = I 2 0 ， t = t o f f 时 刻 i 2 = I 1 0 ， 由此可得：EI=m- toff- 1 - et E = m - 1 - e - br ET1

7、0R1 - e -t R1 - e -r R 9 E- ton- T-I=m et- e t E = m - e -ar - e -r ET20R1 - e -t R1 - e -r R 10 把 上 面 两 式 用 泰 勒 级 数 线 性 近 似 ， 得I= I1020= (m - b )ER 11 该 式 表 示 了 L 为 无穷大时电 枢电流的 平均值 I o ， 即()EE- bEI= m - b=m 12 oRR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1 - e - brm 1 - e -r 13 根 据 此 式 可 对

8、 电 路 的 工 作 状 态 作 出 判 断 。3. 设计目的1 ) 通 过 对 Boo st C ho pp e r 电路的设计 ， 把握 Boo st C ho pp er 电 路的工作 原理，综 合运 用所学知 识，进 行 Boo s t C h op p e r 电 路 和系 统 设 计 的 能 力 。2 ) 了 解 与 熟 悉 Bo os t C ho pp e r 电 路 拓 扑 、 控 制 方 法 。3 )理 解 合 掌 握 Bo os t C ho pp e r 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

9、的 选 择 计 算 方 法 。4 )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 Boo s r Ch op p e r 电 路 的 主 电 路 和 控 制 电 路 进 行 设 计 。 参 数如 下 ：直 流 电 压 E =5 0 V， 负 载 中 R = 20 ， L、 C 值极大 ， = 30 V设 计 要 求 ：1 )理 论 设 计 ： 了 解 掌 握 Bo os tCh op p er电 路 的 工 作 原 理 ， 设 计Bo o stCh op p e r 电 路 的 主 电 路 和 控 制 电 路 。 包 括 ：a )

10、IG BT 电 流、 电压额定的 选择b )驱 动 、 保 护 电 路 的 设 计c )画 出 完 整 的 主 电 路 原 理 图 和 控 制 电 路 原 理 图d )列 出 主 电 路 所 用 元 器 件 的 明 细 表2 ) 仿 真 实 验 ： 利 用 Ma t l a b 仿 真软件 对 Bo o s t Ch op p e r 电 路 主 电路 和 控 制 电 路 进 行 仿 真 建 模 ， 并 进 行 仿 真 实 验 。3 ) 实 际 制 作 ： 利 用 PR O TE l 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

11、素，设计 P C B 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。1) IGBT 用抱负的方波发生器触发，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。2) 示波器用来观看电感电流，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

12、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 减小，震荡幅度减小，电路安全行，稳定性提高。电压的增加，峰值电压渐渐1. 占空比，LC 组合肯定，转变 LC 的取值，争论其对电路的影响，并求出最正确占空比为 50%，=30V，L=10 H,C=10 F 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=20 F 时的波形：图 2.5 占空比为 50%，=30V，L=20H,C=1

13、0F 时的波形2. E、R、不变 L=10e-3H、=50%时，只调整电容 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， =50%时的波形C=2e-3F 时输出的波形图 2.7C=2e-3F ，L=10e-3H， =50%时的波形3. E、R、的值不变 C=10e-3F、 =50 时，只调整电感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，=50%时的波形L=2e-3H 时的输出波形4. E、R、图 2.9C=50e-3F ，L=2e-3H， =50%时的波形的值不变 L=10e-3H、C=

14、10e-3F 时，调整占空比的输出电压波形占空比 =20%时输的波形图 2.10C=10e-3F ，L=10-3FH， =20%时的波形占空比 =50%时输的波形图 2.11C=10e-3F ，L=10-3FH， =50%时的波形占空比 =80%时输的波形图 2.12C=10e-3F ，L=10-3FH， =80%时的波形由以上单一变量的仿真图形分析可得：1) 占空比 越大负载输出电压越大，调整时间越长2) 电容 C 值越大峰值时间越大，第一个峰值越大3) 电感 L 值越大峰值时间越大，调整时间越大在实际中可依据工程的大小、设计的实际要求及本钱的大小选取适当的电感电容值，以到达设计的要求。可以

15、在一些阅历值四周选取电感电容值，滨进展反复的试验最中确定自己需要的电感电容值这里仅依据要有良好的直流稳定性和快速性，在 =50 时经过大量的仿真试验选取的一组抱负的电容电感值，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抱负。此时波形如图 2.4 所示。仿真试验结论通过仿真试验和对仿真试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。虽然抱负的电感电容值为无穷大，但这在现实设计中是不行能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小本钱成为冲突，而且由以上的仿真分析可知它也将和Boost 启动时调

16、整时间成为冲突。所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取适宜的电感电容值！三、硬件试验1) 硬件电路硬件电路的工作原理分析外接 220V 沟通电压经过变压器 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，在主电路中为其参加缓冲电路和过压保护电路是必要的。触发电路以专用的 PWM 掌握芯片 SG3525 为核心构成，掌握电路输出占空比可调的矩形波形，占空比受 Uco 的掌握如图 1-13。触发电路输

17、出的矩形波经光耦合驱动电路掌握主电路中 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，此时只要调整触发波形的占空比即可调整 Boost Chopper 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，此时只要调整触发波形的占空比即可调整 Boost Chopper 输出电压。占空比越大，Boost Chopper 的输出电压值越大.图 2-15 boost chopper 触发电路及主电路图2) 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状况进展选择。其

18、中的吸取电容 的选择可以承受一下公式：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。需要留意的是，电容应中选择无感电容；电阻要留意它的功耗，应选择相应的功率电阻；吸取模块的制作要留意绝缘。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。3) 硬件

19、实现利用 PROTEL DXP 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】电力电子技术根底北京：林渭勋机械工业出版社【4】 电力电子器件根底北京：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瞬态保护争论力电子技术【7】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 (2023-01 出版)四、课程设计总结通过这次设计，使我加深了对书本学问的理解，特别是对升压斩波电路相关内容有了更深刻

20、的生疏和理解，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，扩大了我的学问面，为以后课程设计、毕业设计打下学问根底。同时，通过对各局部电路的仿真分析，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时机，根本把握了这些软件的使用和调试方法，提高了理论分析力量，大大简化了我们的设计时间和步骤。在设计初期由于缺少阅历，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。最终感谢教师的指导与

21、帮助，给我提了贵重的意见，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，但仿真试验还是得到了抱负的波形，与理论结果根本相像， 其可能消灭误差的缘由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学问，是我今后深入学习的根底和动力，以后我肯定会珍惜这种时机好好学习。附录一 设计任务书题目六 升压斩波电路设计一、 设计目的1、 通过对Boost Chopper电路的设计，把握Boost Chopper电路的工作原理，综合运用所学学问，进展Boost Chopper电路和系统设计的力量。2、 了解与生疏Boost Chopper电路拓扑、掌握方法。3、 理解和把

22、握Boost Chopper电路及系统的主电路、掌握电路和保护电路的设计方法，把握原件的选择计算方法。4、 具有肯定的电力电子电路及系统试验和调试的力量。二、 设计内容及要求对Boost Chopper电路的主电路和掌握电路进展设计。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=20 , L、C 值极大，=30v其次组：直流电压 E=200V, 负载中 R=20 , L、C 值极大。本设计选取的是第一组参数设计要求1、 理论设计：了解把握 BoostChopper 电路的工作原理，Boost Chopper 电路的主电路、掌握电路。包括：IGBT 电流、电压额定的选择

23、；驱动保护电路的设计；画出完整的主电路原理图和掌握电路原理图；列出主电路的所用的元器件的明细表。2、 仿真试验：利用 NATLAB 仿真软件对 Boost Chopper 电路主电路和掌握电路进展仿真建模，并进展仿真试验。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。最终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年月末推出的 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，它较早就在国内开头使用，在

24、国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还特地开设了课程来学习它，几乎全部的电子公司都要用到它，很多大公司在聘请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 已进展到 PROTEL99 网络上可下载到它的测试板，是个浩大的 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

25、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 、可编程规律器件设计、 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/效劳器体系构造，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， 这为它的普及供给了根底。 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

26、的 站 点 ： :/ PROTEL 这款最高端版本 Altium Designer 6.除了全面继承包括 99SE ，Prot el2023 在内的从前一系列版本的功能和优点以外，还增加了很多改进和很多高端功能。 Altium Designer 6.0 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 局部，除了 Protel2023 中的多通道复制；实时的、阻抗掌握布线功能； SitusTM 自动布线器等功能以外， AltiumDesigner6.0 还着重

27、在：差分对布线， FPGA 器件差分对管脚的动态安排，PCB 和 FP GA 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P CB 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，简单BGA 器件的多层自动扇出，供给了对高密度封装如 BGA的交互布线功能 , 总线布线功能，器件准确移动，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. Altiu m Design

28、er6.0 对差分信号供给系统范围内的支持， 可对高速内连的差分信号对进展充分定义、治理和交互式布线。支持包括对在 FPGA 工程内部定义的 LVDS 信号的物理设计进展自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。 Altium Designer 可充分利用当今 FPGA 器件上的扩展 I/O 管脚。其次，在原理图局部，增加 “灵活粘帖 ”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中，比方一些网络标号，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，器件准确移动，总线走线，自动网标选择等！强大的前端将多层次、

29、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。在信号仿真局部，供给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 设计供给了丰富的 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 在嵌入式设计局部， 增加了 JTAG 器件的实时显示功能， 增加型基于 FPGA 的规律，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，还增加了对更多的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 Wi

30、shbone开放总线连接器允许在 FPGA 上实现的规律模块可以透亮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 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 Simulink 两大局部。MATLAB 是矩阵试验室 Matrix Laboratory 的简称，和 Mathemati ca、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在 数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进展 矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创立用户界面、连接其他编程语言的程序等

31、，主要应用于工程计算、掌握设计、信号处理与通讯、 图像处理 、信号检测 、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 的根本数据单位是矩阵， 它的指令表达式与数学、 工程中常用的形式格外相像，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完一样的事情简捷得多，并且mathwork 也吸取了像 Maple 等软件的优点 ,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。 在的版本中也参加了对C ， FORTRAN ，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的有用程序导入到 MATLAB函数库中便利自己以后调用， 此外很多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用

32、户可以直接进展下载就可以用。MATLAB 的优势1友好的工作平台和编程环境MATLAB 由一系列工具组成。 这些工具便利用户使用 MATLAB 的函数和文件，其中很多工具承受的是图形用户界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜寻和用于用户扫瞄帮助、工作空间、文件的扫瞄器。随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级， MATLAB 的用户界面也越来越精巧，更加接近Windows 的标准界面， 人机交互性更强，操作更简洁。而且版本的MATLAB 供给了完整的联机查询、帮助系统，极大的便利了用户的使用。简洁的编程环境供给了比较完备的调试系统，程序不必经过

33、编译就可以直接运行，而且能够准时地报告消灭的错误及进展出错缘由分析。（2） 简洁易用的程序语言Matlab 一个高级的矩阵 /阵列语言， 它包含掌握语句、 函数、数据构造、输入和输出和面对对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的简单的应用程序M 文件后再一起运行。版本的 MATLAB 语言是基于最为流行的 C语言根底上的， 因此语法特征与 C语言极为相像，而且更加简洁，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB 能够深入到科学争论及工程计算各个领域的重要缘由。

34、（3） 强大的科学计算机数据处理力量MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。 其拥有 600 多个工程中要用到的数学运算函数，可以便利的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最争论成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常状况下，可以用它来代替底层编程语言，如C 和 C+。在计算要求一样的状况下，使用MATLAB 的编程工作量会大大削减。MATLAB 的这些函数集包括从最简洁最根本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的简单函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。