电力电子课程设计直流斩波电路

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1、 电电力力电电子技子技术术 课课程程设计说设计说明明书书直流斩波电路 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 何峰 学 号： 09401040238 指导教师： 桂友超 专 业： 自动化 班 级： 自本 0902 完成时间： 2012 年 5 月 1 日 设计任务书一 设计课题：直流斩波电路设计二 设计目的任务 学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在电力电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握应用直流斩波电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电力电子电路设计、研发电力电子产品打下良好的基础。三 设计要求 1 可取直流输入电压=50V, =350Vd

2、UoU2 电力电子课程设计说明书一份3 设计时间一周4 一人一组一课题四 参考资料 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，20002 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，19983 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001目 录1 直流斩波电路设计方案和方案实施.11.1 设计方案选择.11.2 升压斩波电路的设计原理.12 单元电路设计.22.1 直流供电电路.22.2 升压斩波主电路.22.3 控制和驱动电路.32.3.1 芯片 SG3525 简介.32.3.2 控制和驱动电路原理图.42.4 保护电路.52.5 参数计算.53 实验仿真分析.73.1 仿真电路

3、.73.2 仿真结果与误差分析.7结束语.9致 谢.10参考文献.11原件清单.1211 直流斩波电路设计方案和方案实施1.1 设计方案选择斩波电路有三种控制方式（1）脉冲宽度调制（PWM）：开关周期T不变，改变开关导通时间ton。（2）频率调制：开关导通时间ton不变，改变开关周期T。（3）混合型：开关导通时间ton和开关周期T都可调，改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件 IGBT，它集中了电力MOSFET 和 GTR 得优点。1.2 升压斩波电路的设计原理原理图如图 2 所示：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，则此期间电感

4、 L 释放能量为：offt （1-)(1EUtIooff1）当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 的能量与释放的能量相等，即： （1-offoontIEUtEI11)(2） 化简得： (1-3) EtTEtttUoffoffoffon0式中，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。式中，1offtT表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，将升压比的倒offtToU数记作，即。则和占空比有如下关系：Ttoff （1-4）1因此， （1-3）式可以表示为：2 (1-5)EEUO1112 单元电路设计2.1 直流供电电路生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电

5、经整流得到。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.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 1 所示： 图 1 直流供电电路输入端接 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

6、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） 。2.2 升压斩波主电路3本设计为直流升压斩波（boost chopper）电路，该电路是本系统的核心。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。主电路图如下图 2 所示：图 2 主电路原理图左边接经整流之后的 50V 电压。右边为斩波电压输出，V-G 为 SG3525 输出的 PWM 斩波信号。G1 为

7、 IGBT，D5 为电力二极管，L2 为电感，C1 为电容，R1 为负载。2.3 控制和驱动电路2.3.1 芯片 SG3525 简介PWM 控制芯片 SG3525 具体的内部引脚结构如图 3 所示。其中，脚 16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚 5、脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为 70dB 左右

8、。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚 9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。4图 3 SG3525 引脚图2.3.2 控制和驱动电路原理图 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

9、高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。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 4 所示：图 4 驱动和控制电路工作原理：通过 R2、R3、C3 结合 SG3525 产生锯齿波输入到 SG3525 的振荡5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。2.4 保护电路升压

10、斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，分别如图 5,6 所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片 SG3525 的输入，从而起到调节保护作用。同时芯片 SG3525 也可完成一定的保护功能，例如，脚 8 软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。图 5 过电压保护电路图 6 过电流保护电路2.5 参数计算 由设计要求可取直流输入电压=50V, =350V, 则:dUoU6(1) 占空比 =1-50/350=0.85.(2) 交流侧二次电压有效值=/1.2=41.7V;2UdU取交流一次电压有效值=220V1U变压器变比 K=/=220/41.7=5.

11、3。1U2U(3) 输出功率为 130W,所以负载电阻 R=942.30，取 900；PUO2负载电流=/ =0.39,电源电流=()/=2.20 A。2IOUR1I2I二极管承受反向最大电压 =1.414=1.41441.759VDMU2U(4) 考虑 3 倍裕量，则 =359V=177V; 平均电流=0.5I2=0.19, 选取 TNUDI1N4003，其参数为最大反向峰值电压为 200V，平均电流为 1A.(5) 滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数1C越小，一般不做严格计算，多取 2000 F 以上。因该系统负载不大，故取=2200 F，耐 1.5=1.578

12、.6=117.9V 取 120V 即选用 2200uF、120V 电1CDMU容器。(6) 电感值一般选择极大值，以保证电流连续且脉动很小，所以取= 0.3mH，1L =50m H。2L(7) IGBT 的选择 因为=41.7V，取 3 倍裕量，选耐压为 150V 以上的 IGBT。由于 IGBT 是2U以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为 4 倍关系，故应选用大于 4 倍额定负载电流的 IGBT 为宜，因此选用 7A,额定电压 600V 左右的 IGBT，选GT8Q101，其参数为最高耐压为 1200V,最大电流为 8A.73 实验仿真分析3.1 仿真电路 打开仿真参数窗口，选择 ode2

13、3tb 算法，按图 8 连接好仿真电路图。相对误差设置为 1e-03，开始仿真时间设置为 O，停止仿真时间设置为 O.02 s，控制脉冲周期设置为 O.0001 s(频率为 1 0000Hz)，控制脉冲占空比为 85。各元器件参数按计算出来的参数设置。图 8 升压斩波电路仿真电路图3.2 仿真结果与误差分析参数设置完毕后，启动仿真，得到图 9 的仿真结果，输出电压为 350V8图 9 升压斩波电路占空比 85%时仿真结果在原电路的基础上，改变占空比为 50%时的仿真结果如图 10 所示,理论输出电压为 100V.图 10 升压斩波电路占空比 50%时仿真结果通过以上的仿真过程分析，仿真结果基本

14、符合理论计算值，可以得到下列结(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用 Simulink 对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正9确性。结束语经过将近两周的电力电子课程设计，终于完成了我的直流斩波电路的设计，虽然耗费了我很多的时间.但是是我学会不少知识。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，在老师和同学们的一一解答下度过重重难关取得成功！在此，对给过我帮助的所有同学和陆老师表示忠心的感谢，通

15、过这一周的电力电子课程设计，我既对MATLAB7.0 软件有了进一步的了解，对 BOOST CHOPPER 电路也有的深入的认识和理解。刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助，学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。把实验室测得的波形和仿真的波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。经过这次的课程设计，发现 MATLAB 软件功能非常强大。平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。本设计还有很多做的不够好的地方，还望老师批评指正。10致 谢在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。首

16、先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把这个直流斩波电路设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢湖南工学院为我提供良好的电力电子设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，我感谢在这这么多天以来给过我帮助和关注的所有人，更加感谢给过我挫折的所有人。你们用不同的方式给了我成长，也是你们促使我在走过的大学时光里一直努力，终可以

17、在课程设计的最后那一天无愧的说一声：我成功了。11参考文献 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，20002 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，19983 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，20014 阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，20005 陈汝全电子技术常用器件应用手册【M】机械工业出版社6 陈礼明实际直流斩波电路中若干问题的浅析梅山科技，20057 康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,19988 张义和.Protel DXP 电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,20039 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，199810 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，200111 邱关源主编.电路.第 3 版上、下册.北京:人民教育出版社,198112原件清单 名称数量备注电阻2 个10K电阻1 个900电阻1 个5.1K电阻6 个200极性电容1 个2200F极性电容2 个22pF电容3 个22pF变压器一个220V/42V三极管4 个D44H8IGBT1 个GT9Q101集成运放 7412 个SG35251 块光耦合器1 个13电力二极管7 个1N4003插座2 个直流电源1 个15V电感2 个0.3mH,50m H