電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)---直流斬波電路的性能研究

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p>　　課程名稱：直流斬波電路的性能研究</p><p><b>　　2013年1月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>&

2、lt;b>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　1 BOOST斬波電路工作原理- 2 -</p><p>　　1.1主電路工作原理- 2 -</p><p>　　1.2控制電路選擇- 2 -</p><p>　　2 硬件調(diào)試- 4 -</p><p>　　2.1電源電路設(shè)計(jì)

3、- 4 -</p><p>　　2.2升壓（boost）斬波電路主電路設(shè)計(jì)- 5 -</p><p>　　2.3控制電路設(shè)計(jì)- 6 -</p><p>　　2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 10 -</p><p>　　2.5保護(hù)電路設(shè)計(jì)- 11 -</p><p>　　2.5.1過壓保護(hù)電路- 11 -&l

4、t;/p><p>　　2.5.2過流保護(hù)電路- 13 -</p><p>　　2.6直流升壓斬波電路總電路- 13 -</p><p>　　3總結(jié)- 15 -</p><p>　　4參考文獻(xiàn)- 16 -</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　

5、直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter），直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）。

6、本設(shè)計(jì)是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調(diào)制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設(shè)計(jì)分為Multisim仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。Multisim主要是仿真分析，借助其強(qiáng)大的仿真功能可以很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線圖，通過設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結(jié)果。第二部分是硬件電路設(shè)計(jì)，它通過軟件設(shè)計(jì)完成。</p><p>　　關(guān)鍵字：直流斬波；

7、PWM；SG3525</p><p>　　1 BOOST斬波電路工作原理</p><p><b>　　主電路工作原理</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)主電路是直流升壓斬波電路即boost斬波電路。</p><p>　　直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其理圖如圖1-1所示。在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感

8、L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為: </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中T為V開關(guān)周期,為導(dǎo)通時(shí)間，為關(guān)

9、斷時(shí)間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　控制電路選擇<

10、;/b></p><p>　　控制電路選用SG3525產(chǎn)生脈沖，再利用TLP250作為驅(qū)動(dòng)，最終利用MOSFET管來實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制，最終電路如圖1-2、圖1-3所示。</p><p><b>　　2 硬件調(diào)試</b></p><p><b>　　電源電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本

11、課設(shè)采用的是電容濾波的單相橋式不可控整流電路，常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，如目前大量普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中。其工作原理圖如下：</p><p>　　圖 2-1a 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形</p><p><b>　　? </b></p><p>　　主要的數(shù)量關(guān)系 （以電阻負(fù)載為例）：</p>&l

12、t;p>　　1） 輸出電壓平均值 </p><p>　　整流電壓平均值Ud 可根據(jù)輸出波形及有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣?？蛰d時(shí)，。重載時(shí)， Ud 逐漸趨近于0.9U2， 即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。 </p><p>　　通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C 值，使，T 為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為： Ud≈ 1.2 U2 。</p><p>　　

13、圖 2-1b 電容濾波的單相不可控整流電路輸出電壓與輸出電流的關(guān)系</p><p>　　2） 電流平均值 輸出電流平均值 為： </p><p>　　二極管電流iD 平均值為 ：</p><p>　　3） 二極管承受的電壓：</p><p>　　升壓（boost）斬波電路主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　1）升壓斬

14、波電路的原理圖如圖所示：</p><p>　　圖 2-2a 升壓斬波電路原理圖</p><p>　　圖2-2a中假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton；V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為。<

15、;/p><p>　　穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p><b>　　化簡(jiǎn)得：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost變換器。表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作β，即

16、。β和導(dǎo)通占空比α有如下關(guān)系：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　因此，式（1）可表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，電容C可將輸出電壓保持住。</p&

17、gt;<p><b>　　2）主電路工作原理</b></p><p>　　圖 2-2b 主電路工作原理圖</p><p>　　其中示波器觀察控制電路輸出脈沖的寬度和幅值，電壓表分別用來測(cè)電源、MOSFET、負(fù)載的電壓。直流電源需通過電源電路變壓整流獲得；PMW波由基于SG3525的控制電路產(chǎn)生，以控制MOSFET的通斷。其工作原理已在上面說過。</

18、p><p><b>　　控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用。為此，美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525，以用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、

19、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比?？刂齐娐沸枰獙?shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對(duì)占空比α的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護(hù)功能。我們采取的是由電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525為核心組成的控制電路。SG3525 的管腳如圖所示</p><p>　　圖 2-3a SG3525管腳圖</p><

20、;p>　　其中，腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1％）V，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5，腳6，腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和輸入腳1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。各管

21、腳具體功能如下：</p><p>　　1 腳：誤差放大器的反相輸入端； </p><p>　　2 腳：誤差放大器的同相輸入端； </p><p>　　3 腳：同步信號(hào)輸入端， 同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fs 要低一些；</p><p>　　4 腳：振蕩器輸出； </p><p>　　5 腳：振蕩器外接電容CT端，振

22、蕩器頻率fs＝1/CT（0.7RT+3R0）,R0為5腳與7腳之間跨接的電阻，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001～0.1 μF； </p><p>　　6 腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，RT值為2～150 kΩ； </p><p>　　7 腳：振蕩器放電端，用外接電阻來控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0～500 Ω； </p><p>　　8 腳：軟啟動(dòng)端，外接軟啟

23、動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Vref的50μA恒流源充電； </p><p>　　9 腳：誤差放大器的輸出端； </p><p>　　10腳：PWM信號(hào)封鎖端，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)； </p><p>　　11腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出； </p><p><b>　　12腳：接地； </b>

24、;</p><p>　　13腳：輸出集電極電壓； </p><p>　　14腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出； </p><p>　　15腳：電源， 其范圍為8～35 V，通常采用+15V； </p><p>　　16腳：內(nèi)部＋5 V基準(zhǔn)電壓輸出。</p><p>　　SG3525芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示</p>&l

25、t;p>　　圖 2-3b SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　SG3525芯片內(nèi)部集成了精密基準(zhǔn)電源、誤差放大器、帶同步功能的振蕩器、脈沖同步觸發(fā)器、圖騰柱式輸出晶體管、PWM比較器、PWM鎖存器、軟啟動(dòng)電路、關(guān)斷電路和欠壓鎖定電路。 </p><p>　　芯片+5.1V基準(zhǔn)電壓精度為±1%，由于基準(zhǔn)電壓值在誤差放大器的輸入共模范圍內(nèi)，因此，無須外接電阻。SG35

26、25可以工作在主從模式，也可以與外部時(shí)鐘同步。通過CT端(引腳⑤) 與放電端之間的電阻可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間。 </p><p>　　SG3525采用電壓模式控制方式，工作原理波形如圖3—11所示。振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)PWM鎖存器(Latch)，形成PWM信號(hào)的上升沿，使主電路的開關(guān)器件開通。誤差放大器的輸出信號(hào)與振蕩器輸出的三角波信號(hào)相比較，當(dāng)三角波的瞬時(shí)值高于誤差放大器的輸出時(shí)，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)PWM鎖存

27、器，形成PWM信號(hào)的下降沿，使主電路的開關(guān)器件關(guān)斷。F/F觸發(fā)器用作分頻器，將PWM鎖存器的輸出分頻，得到占空比為0.5、頻率為振蕩器頻率一半的方波。 </p><p><b>　　1. 軟啟動(dòng) </b></p><p>　　SG3525的軟啟動(dòng)電容接入端(引腳⑧) 上通常接一個(gè)5μF的軟啟動(dòng)電容。充電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此，與軟啟動(dòng)電容接入端相連的

28、PWM比較器反相輸入端處于低電平，PWM比較器輸出為高電平。此時(shí)，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有當(dāng)軟啟動(dòng)電容的充電電壓使引腳⑧處于高電平時(shí)，SG3525才能開始工作。 </p><p><b>　　2. 關(guān)斷操作 </b></p><p>　　通過引腳⑩(關(guān)斷端)來關(guān)閉SG3525的輸出。當(dāng)引腳⑩上的信號(hào)為高電

29、平時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能： PWM鎖存器立即動(dòng)作，同時(shí)軟啟動(dòng)電容開始放電。放電電流只有 150μA，如果關(guān)斷信號(hào)為短暫的高電平，PWM信號(hào)將被中止，但此時(shí)軟啟動(dòng)電容沒有明顯的放電過程。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖限幅。但是，如果引腳⑩ 上的高電平維持較長(zhǎng)的時(shí)間，軟啟動(dòng)電容將充分放電，當(dāng)關(guān)斷信號(hào)結(jié)束時(shí)，將進(jìn)入軟啟動(dòng)過程。特別要注意的是引腳⑩不應(yīng)懸空，因?yàn)閺脑撃_耦合進(jìn)來的噪音信號(hào)將影響電路的正常工作。 </p><

30、;p>　　也可以用補(bǔ)償和軟啟動(dòng)引腳來關(guān)斷SG3525的輸出。由于補(bǔ)償和軟啟動(dòng)引腳內(nèi)部都有上拉電流源，當(dāng)外部電路有下拉信號(hào)時(shí)，最大只需吸收100μA的電流就可關(guān)斷輸出。 </p><p>　　圖 2-3c SG3525脈沖圖</p><p><b>　　3. 振蕩器 </b></p><p>　　在直流降壓斬波電路中可以通過調(diào)節(jié)2腳接的電

31、阻值改變輸出脈沖信號(hào)的占空比。1、9腳短接形成反饋，控制2腳經(jīng)可調(diào)電阻器接5V電壓即可。本設(shè)計(jì)取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，經(jīng)計(jì)算振蕩器輸出頻率是90kHz，PWM輸出頻率定為45kHz。直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)

32、鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極（由腳11和腳14輸出），鋸齒波的作用

33、是加入死區(qū)時(shí)間，保證VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)通。最后，腳11及腳14分別輸出相位</p><p>　　在本設(shè)計(jì)選用的MOSFET是IRF640，它由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。下面是采用SG3525設(shè)計(jì)的控制電路</p><p>　　圖 2-3d 基于SG3525的控制電路</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</b></p>

34、<p>　　由于SG3525所產(chǎn)生的脈沖不足以驅(qū)動(dòng)MOSFET管工作，還需要采用已TPL250為主控芯片的光耦驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖2-4 基于TPL250的控制光耦驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　保護(hù)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　過壓保護(hù)電路</b></p>

35、<p>　　過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到—定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。</p><p><b>　　主電路器件保護(hù)</b></p><p>　　當(dāng)達(dá)到—定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電

36、子器件。</p><p>　　為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖2-5a所示。</p><p><b>　　負(fù)載過壓保護(hù)</b></p><p

37、>　　如圖2-5b所示 比較器同相端接到負(fù)載端，反相端接到一個(gè)基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過程，從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。</p><p>　　電阻的取值，比較器反相端

38、接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以內(nèi)，取負(fù)載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。</p><p><b>　　過流保護(hù)電路</b></p><p>　　當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故

39、障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。</p><p>　　過流保護(hù)的方法比較多，比較簡(jiǎn)單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，對(duì)電路中元件的保護(hù)。</p><p>　　直流升壓斬波電路總電路</p><p>　　總

40、電路圖如下圖所示（保護(hù)電路未加入）。</p><p>　　圖2-6 BOOST斬波電路總電路圖</p><p><b>　　2.7元器件列表</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過兩個(gè)月的電力電子課程設(shè)計(jì)，真的是獲益不少。當(dāng)看到這個(gè)任務(wù)書的時(shí)候感覺真正要學(xué)的東西

41、來了，以前所學(xué)的理論知識(shí)終于可以用上了。于是拿起了課題認(rèn)真的看了看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一頭霧水，就大概知道一個(gè)主電路而已。</p><p>　　而至于控制電路和保護(hù)電路根本就不知道怎么回事，只知道以前做實(shí)驗(yàn)有用過控制電路而不知道里面的內(nèi)部是怎么接線的。于是通過慢慢的看書，我在直流-直流變流電路那一章中掌握了MOSFET升壓斬波電路主電路的設(shè)計(jì)，在PWM控制技術(shù)那一章中掌握了控制電路的設(shè)計(jì)。 </p><

42、p>　　電力電子課程設(shè)計(jì)不僅讓我加深了很多課本上的知識(shí)，也讓我懂得了很多其它的。雖然已經(jīng)會(huì)設(shè)計(jì)電路圖了，但把它畫出來也不是件容易的事啊。因?yàn)槲沂怯胢ultisim畫的，首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常見的器件。還有一些元件的元件庫(kù)也沒有加載，因?yàn)椴恢滥切┰儆谀膫€(gè)元件庫(kù)……感覺真的好麻煩啊 ，后來經(jīng)過多次畫圖操作漸漸地也較熟悉了。</p><p>　　通過這個(gè)設(shè)計(jì)，要做成一個(gè)可用的

43、、實(shí)際的實(shí)物靠得是細(xì)節(jié)。以前課本上所學(xué)的東西只是理論上的，要把理論變?yōu)閷?shí)際還需要很多大量細(xì)節(jié)的東西，如何使你設(shè)計(jì)出來的電路是最簡(jiǎn)單的 ，最容易實(shí)現(xiàn)的；所用的器件應(yīng)該用什么型號(hào)的才合適等等，都是需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中要好好考慮的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．王兆安、劉進(jìn)軍，《電力電子技術(shù)》第五版 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009；