電力電子升壓斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p><b>　　1.主電路設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　1.1 MOSFET升壓斬波電路原理圖3</p><p>　　1.2 MOSFET升壓斬波電路工作原理3&l

2、t;/p><p>　　1.3 MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定5</p><p>　　1.4 MOSFET升壓斬波電路典型波形6</p><p>　　1.5 晶閘管的觸發(fā)電路6</p><p>　　1.6 驅(qū)動(dòng)電路8</p><p>　　1.7升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì)9</p><

3、p>　　2.控制電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.1控制電路原理圖10</p><p>　　2.2控制電路工作原理10</p><p><b>　　3.仿真結(jié)果12</b></p><p><b>　　4.心得體會(huì)14</b></p><p>　　5. 參

4、考文獻(xiàn)15</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流直流升壓電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控

5、制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。</p><p>　　早期的直流裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計(jì)又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電

6、路簡單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。</p><p>　　直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路。本文著重解決用MOSFET作開關(guān)的升壓斬波電路。</p><p>

7、<b>　　1.主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)MOSFET升壓斬波電路（純電阻負(fù)載）</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　1）輸入直流電壓：Ud=50V；</p><p>　　2）輸出功率： 300W；</p><p>

8、　　3）開關(guān)頻率： 5KHz；</p><p>　　4）占空比： 10%-50%；</p><p>　　5）輸出電壓脈動(dòng)率：小于10%。</p><p>　　1.1 MOSFET升壓斬波電路原理圖</p><p>　　MOSFET升壓斬波電路原理圖如圖1所示，</p><p>　　圖1 MOSFET

9、升壓斬波主電路原理圖</p><p>　　1.2 MOSFET升壓斬波電路工作原理</p><p>　　在控制開關(guān)開通期間，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關(guān)流回電源負(fù)極。電容向供電，輸出電壓上正下負(fù)。電源電壓全部加到電感兩端，在該電壓作用下，電感電流線性增長。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為：</p><p><b>　　1-1</b></

10、p><p>　　在控制開關(guān)關(guān)斷期間，經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負(fù)右正，認(rèn)為電感很大，不變。這樣，電源和電感同時(shí)給電容和負(fù)載供電，負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。電感電壓，電感電流線性減小。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電感電流減小量的絕對值為：</p><p><b>　　1-2</b></p><p>　　當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流波形必然周期性重復(fù)，開關(guān)導(dǎo)

11、通期間電感電流的增量等于開關(guān)斷開時(shí)電感電流的減少量，即。</p><p><b>　　聯(lián)立可得輸出電壓</b></p><p><b>　　1-3</b></p><p>　　由上式可知，是一個(gè)小于1的數(shù)，故輸出電壓比輸入電壓大。從能量守恒角度分析（假設(shè)電感足夠大，電流平直），電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（

12、）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（）相等。列出等式：</p><p><b>　　1-4</b></p><p><b>　　解得,</b></p><p><b>　　1-5</b></p><p>　　下面確定電流連續(xù)的臨界條件：</p><p>　　如果

13、在時(shí)刻電感電流剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時(shí)</p><p>　　升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為：</p><p><b>　　1-6</b></p><p><b>　　1-7</b></p><p>　　忽略損耗，有，于是,</p><p><

14、b>　　1-8</b></p><p><b>　　得臨界電感值為,</b></p><p><b>　　1-9</b></p><p><b>　　確定電容的計(jì)算</b></p><p>　　電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，</p&g

15、t;<p><b>　　1-10</b></p><p><b>　　則電壓變化量</b></p><p><b>　　1-11</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　1-12</b>

16、;</p><p><b>　　可決定脈動(dòng)率。</b></p><p>　　1.3 MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為50V的直流電壓源;</p><p>　　選取降壓斬波電路的占空比為50%;</p><p><b>　　則輸出電壓

17、;</b></p><p>　　輸出功率，要求輸出功率為，可計(jì)算出負(fù)載電阻;</p><p>　　電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成MOSFET功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　計(jì)算：由式，周期可由開關(guān)頻率得出為，把、、代入上式得出。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時(shí)，電感電流越平直。取。</p&

18、gt;<p>　　計(jì)算：由式，要求脈動(dòng)率，取;</p><p><b>　　計(jì)算;</b></p><p>　　代入上式計(jì)算出，濾波電容越大，輸出電壓越平直。</p><p>　　1.4 MOSFET升壓斬波電路典型波形</p><p>　　MOSFET主電路典型波形如圖2所示，</p>&l

19、t;p>　　圖2 MOSFET主電路典型波形</p><p>　　1.5 晶閘管的觸發(fā)電路</p><p>　　作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：</p><p>　　1、觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶

20、閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）</p><p>　　2、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度</p><p>　　3、不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)</p><p>　　4、應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離</p><p>　　圖3　理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形</p><p>　　t1

21、~t2(脈沖前沿上升時(shí)間（<1(s）　</p><p>　　t1~t3(強(qiáng)脈寬度）</p><p>　　IM~強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT） </p><p>　　t1~t4(脈沖寬度）　</p><p>　　I~脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）</p><p>　　圖4 晶閘管觸發(fā)電路</p

22、><p>　　V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)</p><p>　　脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)</p><p>　　V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出</p><p><b>　　觸發(fā)脈沖</b></p><p>　　VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變

23、壓器TM釋放其</p><p><b>　　儲(chǔ)存的能量而設(shè) </b></p><p><b>　　1.6 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口</p><p>　　使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全

24、性都有重要的意義</p><p>　　對器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：</p><p>　　將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號</p><p>　　對半控型器件只需提供開通控制信號</

25、p><p>　　對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離</p><p>　　光隔離一般采用光耦合器</p><p>　　磁隔離的元件通常是脈沖變壓器</p><p>　　圖5　電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路&l

26、t;/p><p>　　圖5中是一種采用光耦合隔離的由V2、V3組成的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控制脈沖使光耦關(guān)斷時(shí)，</p><p>　　光耦輸出低電平，使V2截至，V3導(dǎo)通，MOSFET在DZ1反偏作用下關(guān)斷。當(dāng)控制脈</p><p>　　沖使光耦導(dǎo)通時(shí)，光耦輸出高電平，使V2導(dǎo)通，V3截至，經(jīng)VCC、V2、RG產(chǎn)生的.</p><p>　　正向驅(qū)動(dòng)電壓使M

27、OS管開通。電源+VCC可由DC/DC芯片提供。</p><p>　　電力MOSFE的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；無輸入信號時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)有輸入信號時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。</p><p>　　在升壓斬波電路中，主電路和控制電路共地，所以驅(qū)動(dòng)不用隔離。在降壓斬波電路中則需要在控制電路和主電路之間加隔離。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用

28、的隔離方法是，先加一級光耦隔離，在加一級推挽電路進(jìn)行放大。為了得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻進(jìn)行合理的搭配。</p><p>　　1.7升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖6 升壓斬波電路的主電路</p><p><b>　　2.控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1控制電路原理圖

29、</p><p>　　圖7 控制電路原理圖</p><p>　　2.2控制電路工作原理</p><p>　　圖8 SG3525的引腳</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：同步信號輸入端，

30、 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，振蕩器頻率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）, </p><p>　　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，</p><p>　　定時(shí)電容范圍為0.001～0.1 μF； </

31、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>

32、;<p>　　10腳：PWM信號封鎖端， 當(dāng)該腳為高電平時(shí)， 輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號被封</p><p>　　鎖，該腳主要用于故障保護(hù)； </p><p>　　 11腳： A路驅(qū)動(dòng)信號輸出； </p><p>　　 12腳： 接地； </p><p>　　 13腳： 輸出集電極電壓； </p><

33、p>　　 14腳： B路驅(qū)動(dòng)信號輸出； </p><p>　　 15腳： 電源， 其范圍為8～35 V；</p><p>　　 16腳： 內(nèi)部＋5 V基準(zhǔn)電壓輸出</p><p>　　控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比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。

34、</p><p>　　被實(shí)驗(yàn)裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外此外，其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。</p><p><b>　　3.仿真結(jié)果</b></p>&

35、lt;p>　　圖9 輸入信號參數(shù)圖</p><p>　　圖10 仿真波形圖</p><p>　　根據(jù)圖10，我們可以很容易得出幾個(gè)參數(shù)，</p><p>　　第一，可以讀出輸出電流值。</p><p>　　第二，可以讀出輸出電壓值。</p><p><b>　　4.心得體會(huì)</b><

36、;/p><p>　　回顧此次電力電子課程設(shè)計(jì)，我感慨很多。從理論到實(shí)踐，我遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。</p><p>　　剛開始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識比較少，光靠自己所學(xué)的知識根本解決不了，于是我去圖書館以及網(wǎng)站找了很多資料，學(xué)習(xí)了很多課本上沒有的東西，感

37、覺特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過這次課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。</p><p>　　電力電子課程設(shè)計(jì)經(jīng)過一周的時(shí)間完成了。雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)題目比較簡單，但通過課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作，使我接觸了很多新的知識，也讓我對這門課有了更深的了解，培養(yǎng)了我

38、們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。我會(huì)以這次課程設(shè)計(jì)作為對自己的激勵(lì)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)《電力電子技術(shù)》的大部分內(nèi)容，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識。在設(shè)計(jì)的過程中我遇到了諸多問題，這主要是自己所學(xué)知識的不牢固和欠缺造成的。通過再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請教終于把一個(gè)又一個(gè)的問題解決掉。通過這次課程設(shè)計(jì)我不僅進(jìn)一步鞏固了這門課程的知識還通過親自操作，熟悉了MATL

39、AB等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習(xí)工作提供了便利。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識和實(shí)踐還是有一定的差別，理論知識要應(yīng)用到實(shí)踐中要經(jīng)過仔細(xì)地思考和多次嘗試，只有這要才能達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)踐的效果。如果不是通過課程設(shè)計(jì)，我們的知識面可能一直停留在理論的層面。</p><p>　　最后我要感謝那些給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們，沒有他們的耐心幫助，本次課程設(shè)計(jì)將很難完成

40、。</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5版）．機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2]．康華光、陳大欽．電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分．高等教育出版社，2002</p><p>　　[3]．秋關(guān)源、羅先覺．電路（第5版）．高等教育出版社，2006&