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标准电力电子系统设计报告(20142015学年 第二学期)系 别 信息与控制工程系 题 目 升压斩波电路设计 专 业 电气自动化 班 级 1203 学 号 3121010330 姓 名 彭中杰 指导教师 孟显娇 完成时间 评定成绩 升压斩波电路(Boost Chopper)设计摘要本设计是基于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Protel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 ; (20142015学年 第二学期)11概述42课程设计任务及要求52.1设计任务52.2设计要求52.3设计主流程图53.设计理论63.1 升压斩波工作原理6主电路工作原理63.2数量关系74.硬件设计84.1 升压直流变换器电路总设计概述84.2储能电感L的选择84.2输出滤波电容的选择94.3驱动电路选择94.4保护电路原理介绍104.5保护电路的芯片介绍115.具体电路设计136.心得体会147.附录158.参考文献161王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).北京: 机械工业出版社,2000163 张乃国电源技术北京:中国电力出版社,1998166陈汝全电子技术常用器件应用手册机械工业出版社161概述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。2课程设计任务及要求2.1设计任务理论设计:了解掌握Boost电路的工作原理,设计Boost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。2.2设计要求对Boost电路的主电路和控制电路进行设计。分两组参数,每组参数如下:(1) 直流电压E=50V,负载中R=20,L、C值极大。(2) 直流电压E=200V,负载中R=20,L、C值极大。2.3设计主流程图根据所要实现的功能,设计电路的主程序流程如图所示。 3.设计理论3.1 升压斩波工作原理主电路工作原理 图一假设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 化简得: ,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: 因此,可表示为 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3.2数量关系设IGBT通态的时间为ton,此阶段L上积存的能量为:EI1ton 设IGBT断态的时间为toff,则此段时间内电感L释放能量为:(U0-E)I1t稳态时,一个周期时间内中L积存的能量与释放的能量相等: T/t off 1,输出电压高于电源电压,故为升压斩波电路。 T/t off 升压比;升压比的倒数记为,即= toff /T 。又因为+=1。所以: 电压升高得原因:电感L储能使电压泵升的作用,电容可将输出电压保持住4.硬件设计4.1 升压直流变换器电路总设计概述 电源电路产生的稳定24V直流电作为主电路(斩波电路)的输入电源,电源电路产生的稳定的直流+5V电压控制单片机,通过单片机来输出脉冲占空比可变的波,从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压Uo。把输出电压Uo通过降压后得到的信号Uco反馈给A/D转换电路,再通过比较器判断电压是否过压,过压则单片机输出恒高电平,是MOSFET关断,因此整个系统构成一个可调的直流升压斩波电陆,并且达到过压保护的目的。本设计主要由:电源电路、控制电路、驱动电路、斩波电路和保护电路组成。4.2储能电感L的选择 电感电流包括直流平均植和纹波分量两部分,其电流平均值如下确定。假定忽略电路的内部损耗,电路中开关f设为1KHz,则Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是从电源Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是从电源Vi取出平均电流,也是流入电感的平均电流IL,以下中Vi=E=24V,V0=U0=60V,P0=40W,I0=0.67A Vo= Vi*T/toff,和保护电路组成。Vo= Vi*T/toff, 故有 Ii= Vo*Io/ Vi=Io*T/toff 选择 I=Vi*ton/L=1.4Ii, 则电感L为 L= Vi*ton/1.4Ii ton=T*( Vo- Vi)/ Vo=(Vo-Vi)f*V0 假定忽略内部的损耗,则 Vi*Ii=Vo*I0 故有 Ii= Vo*Io/ VI 因此 L= Vi*ton/1.4Ii= Vi*(Vo- Vi)/1.4f * Vo*I0 已知输出电压Vo、输出电流Io、输入电压Vi和开关频率f,就可求出电感值。则: L24(60-24)/1.4*1000*60*0.67=0.00617H因此L的规格选为LGC0410 其电感量为0.15uH 56uH 额定电流范围为1.85A 300mA。4.2输出滤波电容的选择 假如输出滤波电容C必须在V开启的ton期间供给全部负载电流,设在ton期间, C上的电压降纹波电压Vo,由式得 C=Io*(ton/Vo) 由式,求得ton=T*(Vo-Vi)/Vo 故有 C= T*Io*(Vo-Vi)/Vo*Vo = Io*(Vo-Vi)/f*Vo*VoVo24*10%=2.4v C10*(60-24)/1000*2.4*60=0.000167F4.3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+15V;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
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