電力電子技術(shù)課程設(shè)計---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</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

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

4、t;/p><p>　　2.5.2過流保護電路- 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- 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，它通過軟件設(shè)計完成。</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>　　本實驗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合，其理圖如圖1-1所示。在電路中V導(dǎo)通時，電流由E經(jīng)升壓電感

8、L和V形成回路，電感L儲能；當V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側(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)整負載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負載側(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)通時間，為關(guān)

9、斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是L儲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，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，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，最終利用MOSFET管來實現(xiàn)對主電路的控制，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</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合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產(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)計算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣?？蛰d時，。重載時， Ud 逐漸趨近于0.9U2， 即趨近于接近電阻負載時的特性。 </p><p>　　通常在設(shè)計時根據(jù)負載的情況選擇電容C 值，使，T 為交流電源的周期，此時輸出電壓為： 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</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，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton；V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為。<

15、;/p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p><b>　　化簡得：</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，電壓表分別用來測電源、MOSFET、負載的電壓。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</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，美國硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525，以用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、

19、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比?？刂齐娐沸枰獙崿F(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 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1％）V，而且設(shè)有過流保護電路。腳5，腳6，腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，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?shù)姆答佈a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)時間，定時電容范圍為0.001～0.1 μF； </p><p>　　6 腳：振蕩器外接定時電阻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)時間，電阻范圍為0～500 Ω； </p><p>　　8 腳：軟啟動端，外接軟啟

23、動電容，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信號封鎖端，當該腳為高電平時，輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖，該腳主要用于故障保護； </p><p>　　11腳：A路驅(qū)動信號輸出； </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)動信號輸出； </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、軟啟動電路、關(guān)斷電路和欠壓鎖定電路。 </p><p>　　芯片+5.1V基準電壓精度為±1%，由于基準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。振蕩器輸出的時鐘信號觸發(fā)PWM鎖存器(Latch)，形成PWM信號的上升沿，使主電路的開關(guān)器件開通。誤差放大器的輸出信號與振蕩器輸出的三角波信號相比較，當三角波的瞬時值高于誤差放大器的輸出時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)PWM鎖存

27、器，形成PWM信號的下降沿，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 </b></p><p>　　SG3525的軟啟動電容接入端(引腳⑧) 上通常接一個5μF的軟啟動電容。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，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有當軟啟動電容的充電電壓使引腳⑧處于高電平時，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。當引腳⑩上的信號為高電

29、平時，可以實現(xiàn)兩個功能： PWM鎖存器立即動作，同時軟啟動電容開始放電。放電電流只有 150μA，如果關(guān)斷信號為短暫的高電平，PWM信號將被中止，但此時軟啟動電容沒有明顯的放電過程。利用這個特點，可以很容易地實現(xiàn)逐個脈沖限幅。但是，如果引腳⑩ 上的高電平維持較長的時間，軟啟動電容將充分放電，當關(guān)斷信號結(jié)束時，將進入軟啟動過程。特別要注意的是引腳⑩不應(yīng)懸空，因為從該腳耦合進來的噪音信號將影響電路的正常工作。 </p><

30、;p>　　也可以用補償和軟啟動引腳來關(guān)斷SG3525的輸出。由于補償和軟啟動引腳內(nèi)部都有上拉電流源，當外部電路有下拉信號時，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)計取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，經(jīng)計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

32、鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；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行比較，輸出一個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輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，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)時間，保證VT1及VT2不同時導(dǎo)通。最后，腳11及腳14分別輸出相位</p><p>　　在本設(shè)計選用的MOSFET是IRF640，它由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號驅(qū)動。下面是采用SG3525設(shè)計的控制電路</p><p>　　圖 2-3d 基于SG3525的控制電路</p><p><b>　　驅(qū)動電路設(shè)計</b></p>

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

35、<p>　　過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到—定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載保護。</p><p><b>　　主電路器件保護</b></p><p>　　當達到—定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電

36、子器件。</p><p>　　為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，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，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖2-5a所示。</p><p><b>　　負載過壓保護</b></p><p

37、>　　如圖2-5b所示 比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上，輸出端接控制芯片10端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程，從而實現(xiàn)過壓保護。</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)基準電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以內(nèi)，取負載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。</p><p><b>　　過流保護電路</b></p><p>　　當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、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)鲃酉到y(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較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。</p><p>　　過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，對電路中元件的保護。</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)過兩個月的電力電子課程設(shè)計，真的是獲益不少。當看到這個任務(wù)書的時候感覺真正要學(xué)的東西

41、來了，以前所學(xué)的理論知識終于可以用上了。于是拿起了課題認真的看了看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一頭霧水，就大概知道一個主電路而已。</p><p>　　而至于控制電路和保護電路根本就不知道怎么回事，只知道以前做實驗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，在PWM控制技術(shù)那一章中掌握了控制電路的設(shè)計。 </p><

42、p>　　電力電子課程設(shè)計不僅讓我加深了很多課本上的知識，也讓我懂得了很多其它的。雖然已經(jīng)會設(shè)計電路圖了，但把它畫出來也不是件容易的事啊。因為我是用multisim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也沒有加載，因為不知道那些元件屬于哪個元件庫……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>　　通過這個設(shè)計，要做成一個可用的

43、、實際的實物靠得是細節(jié)。以前課本上所學(xué)的東西只是理論上的，要把理論變?yōu)閷嶋H還需要很多大量細節(jié)的東西，如何使你設(shè)計出來的電路是最簡單的 ，最容易實現(xiàn)的；所用的器件應(yīng)該用什么型號的才合適等等，都是需要我們在設(shè)計過程中要好好考慮的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1．王兆安、劉進軍，《電力電子技術(shù)》第五版 北京：機械工業(yè)出版社，2009；