直流斬波電路的性能研究

1、電力電子技術(shù)課程 設(shè)計(jì)報(bào)告直流斬波電路的性能研究升壓斬波電路(boost chopper)設(shè)計(jì)專業(yè)班級:姓名學(xué)號:指導(dǎo)老師:2013年1月8日摘要：本設(shè)計(jì)是基于tl494cn芯片為核心控制的pwm升壓斬波電路(boost chopper)設(shè)計(jì)由mat 1 ab仿真和protel兩大部分構(gòu)成。mat lab主要是 理論分析，借助其強(qiáng)人的數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真功能可也很直觀的看到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，最后進(jìn)行了gui編程，利用圖形可視化界而的直觀易懂的特 點(diǎn)，使設(shè)計(jì)摒棄了繁瑣難懂的單一波形和控制方式，從而具有友好界 面，非常方便的就可進(jìn)行控制參數(shù)輸入

2、，和輸出圖像顯示tl494是一種性能優(yōu)良的電壓型pwm控制器。電壓型pwm 控制器的原理是將電源輸出電壓uo與基準(zhǔn)值比較，得到誤差電壓ue, 該誤差電壓送入調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器輸出控制電壓u ,控制電壓與鋸齒波 發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號進(jìn)行比較，改變pwm的輸出占空比，進(jìn)而控 制開關(guān)管的通斷改變輸出電壓。本系統(tǒng)利用tl494作為電源核心控 制器件，通過對輸出電壓采樣,經(jīng)計(jì)算后利用單片機(jī)給出控制電壓，調(diào) 節(jié)tl494輸出占空比,從而控制后級boost升壓電路的輸出，構(gòu)成反饋 回路達(dá)到穩(wěn)壓輸出的口的 關(guān)鍵字：升壓斬波tl494cn m0sfet 整流-設(shè)計(jì)要求與方案4二設(shè)計(jì)原理分析42. 1總體結(jié)構(gòu)分分

3、析42. 2直流電源設(shè)計(jì)52. 3主電路工作原理62. 4觸發(fā)電路設(shè)計(jì)102.5過壓過流保護(hù)原理與設(shè)計(jì)15三仿真分析與調(diào)試173. 1 mat lab 仿真圖173. 2仿真結(jié)果183.3仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論24元器件列表24設(shè)計(jì)心得25參考文獻(xiàn)25致謝26一.設(shè)計(jì)要求與方案供電方案有兩種選擇。一，線性直流電源。線性電源(linear power supply)是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整 流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的宜流電壓。 要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過穩(wěn)壓電源進(jìn)行穩(wěn)壓。線性電源體 積重量大，很難實(shí)現(xiàn)小型化、損耗大、效率低、輸岀與輸入之間有公 共

4、端，不易實(shí)現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓。二，升壓斬波電路。由 脈寬調(diào)制芯片tl494為控制器構(gòu)成boost原理的，實(shí)現(xiàn)升壓型dc-dc 變換器，輸岀電壓的可調(diào)整與穩(wěn)壓控制的開關(guān)源是借助晶體管的開/ 關(guān)實(shí)現(xiàn)的。因此選擇方案二。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求是輸出電壓uo二220v可調(diào)的dc/dc變換器，這 里為升壓斬波電路。由于這些電路中都需要直流電源，所以這部分由 以前所學(xué)模擬電路知識可以由整流器解決。mosfet的通斷用pwm 控制，用pwm方式來控制mosfet的通斷需要使用脈寬調(diào)制器 tl494來產(chǎn)生pwm控制信號。設(shè)計(jì)方案：1、電源電路電源電路采用電容濾波的二極管不控整流電路，220v單相交流 電經(jīng)

5、220v/24v變壓器，降為24v交流電，再經(jīng)二極管不控整流電路 及濾波電容濾波后，變?yōu)槠街钡闹绷麟?，其幅值?2廠36vz間。2、主電路2. 1主電路選用升壓斬波電路，開關(guān)管選用電力mosfeto2. 2boost電路的負(fù)載為110v、25w白熾燈,2. 3boost電路中，占空比不要超過65%,否則電壓大于loovo3、控制電路的選擇與確定3. 1脈沖發(fā)生器tl4943.2驅(qū)動(dòng)電路1r2110二.設(shè)計(jì)原理分析2. 1總體結(jié)構(gòu)分析電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，i般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子 電路組成的控制屯路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信

6、號，通過驅(qū)動(dòng)電 路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷。來完成整個(gè)系統(tǒng)的 功能。因此，一個(gè)完整的降壓斬波電路也應(yīng)包括主電路，控制電路， 驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路這些環(huán)節(jié)。直流斬波電路由電源、變壓器、整流電路、濾波電路、主電路、 控制和驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路組成。如圖一1所示：圖（2-1）保護(hù)電路我斬波電路電源整流濾波-變壓器電路/電路控制和驅(qū)動(dòng)電路22直流電源設(shè)計(jì)小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個(gè)部分組 成，其原理框圖如圖2.1所示：圖圖（2-2）在直流電源屮一般用四個(gè)二極管紐成橋式整流電路，整流電路的作用是將交 流電壓卩2變換成脈動(dòng)的直流電壓“3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把

7、脈 動(dòng)直流電壓-中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電圧u/。u占交 流電壓s的有效值的關(guān)系為：比二（1 1.2）/?；在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：ukm = v2t/2 ；流過每只二極管的平均電流為:i =也=°戀“2d 2 r整流電路設(shè)計(jì)如下：22()vo圖(2-3)2. 3主電路工作原理假設(shè)l和c值很大。v處于通態(tài)時(shí)，電源e向電感l(wèi)充電，電 流恒定ii,電容c向負(fù)載r供電，輸出電壓uo恒定。v處于斷態(tài)時(shí)，電源e和電感l(wèi)同時(shí)向電容c充電，并向負(fù)載 提供能量。vdh771尹 n jn載圖(2-4)首先假設(shè)電路中電感和電容值都足夠大。當(dāng)可控開關(guān)s處于導(dǎo)通 狀

8、態(tài)時(shí)，電源e向電感l(wèi)充電，充電電流基本恒定為ii,同時(shí)電容c 上的電壓向負(fù)載r供電。因?yàn)殡娙輈的值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值。設(shè)s處于導(dǎo)通的吋間為®此階段電感l(wèi)上積蓄的能量為:e/. 1 to/?當(dāng)s處于斷態(tài)時(shí)，e和l共同向電容c充電并向負(fù)載r提供能 量。設(shè)t處于斷態(tài)的時(shí)間為則在此期間電感釋放的能量為：(uo-vs)iltoff穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期t中l(wèi)積蓄能量與釋放能量相等e也二(匕-£)/©化簡得：u 一 % + % e _ t ea 、以上為升壓斬波電路的工作原理。(e)電感電流連續(xù)時(shí)波形圖(0電感電流斷流時(shí)波形圖電感的選擇根據(jù)電感最大貯能值0. 5 xl

9、 xi xi確定電感峰值電流k嚴(yán)io+ 2 xvjoff / l (toff為關(guān)斷時(shí)間)，匝數(shù)n應(yīng)進(jìn)行取整,當(dāng)匝數(shù)少電流大時(shí)，應(yīng)盡量避免取半匝的情況。經(jīng)計(jì)算后選取電感量為10 mh,電容為4 700 ufo圖2-5電流連續(xù)當(dāng)m0sfet處于導(dǎo)通時(shí)，得設(shè)木的初值為厶0,解上式得當(dāng)m0sfet處于關(guān)斷時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為乙，得設(shè)乙的初值為/20,解上式得e emon當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，從圖2-6的電流波形可看出，t = 時(shí)刻onlonest1() = z2o r e e"r廠/、olt1 e衣< 丿故由上兩式求得:(1-<!-0p、l-em_廠丄匕丿20 r(心t、廠-廠t-i

10、1-( e-ap -e-pm-ep丄匕丿把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得e1o = 20 = (m _ q)該式表示了l為無窮大時(shí)電樞電流的平均值厶，即o 0e當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)的波形如圖2-6所示。當(dāng)/二0時(shí)刻a二仏二0, 令式（1t0）中仏二0即可求岀厶（），進(jìn)而可寫出“2的表達(dá)式。另外, 當(dāng)t =亡2時(shí)，力2二0，可求得乙持續(xù)的時(shí)間才x，即_£on1 me t1m當(dāng) tx v off 時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx v 才off 是電流斷續(xù)的條件，即m v1 根據(jù)上式可對電路的工作狀態(tài)做出判斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。2.4觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)tl494cn是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路

11、，它包含了開關(guān)電源控制所 需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電 源。tl494有so-16和pdip-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的耍 求。其主要特性如下：1. 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。2. 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。3. 內(nèi)置誤差放大器。4. 內(nèi)止5v參考基準(zhǔn)電壓源。5. 町調(diào)整死區(qū)時(shí)間。6. 內(nèi)置功率晶體管可提供500ma的驅(qū)動(dòng)能力。7. 推或拉兩種輸出方式。1tl494引腳圖pin connectionsvrefvccc2e2e1outputcontrolinvinputnoninvi叩ut圖(2-7)tl494工作原

12、理簡述tl494的內(nèi)部電路市基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整 電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。其中 1、2腳是誤差放大器i的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控 制；4腳為死區(qū)時(shí)間比較器，具有120inv的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最 小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%,當(dāng)輸出端接地，最大輸出占 空比為96%,而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控 制輸入端接上固定的電壓(范圍在03. 3v之間)即能在輸出脈沖上 產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容，5腳可以產(chǎn)生鋸齒波，所產(chǎn)生的鋸齒波穩(wěn)定，線性度好；7腳為接地端;8、9腳和1

13、1、10腳分別為tl494內(nèi)部兩個(gè)末級輸出三極管集電極和發(fā) 射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，控制tl494的輸出方 式，該腳接地時(shí)，兩路輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)通或截止，形成單端丁作狀 態(tài)，可以用于提高輸出電流；接14腳時(shí)為推挽輸出方式，為5v基準(zhǔn)電 壓輸出端，最大輸出電流10ma； 15、16腳是誤差放大器ii的反相和同 和輸入端。tl494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電 阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率為：fosc=_losc rt-ct輸出脈沖的寬度是通過電容6t上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控 制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管q1和q2受控于或非門，當(dāng)13 腳

14、控制信號為高電平時(shí)，調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管q1和 q2 ,輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。當(dāng)13腳控制信號為低電平時(shí), 芯片工作于單端狀態(tài)，功率輸岀管q1和q2均由或非門的前一級與門 控制,為得到更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，可將q1和q2并聯(lián)使用。當(dāng)雙穩(wěn) 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于 控制信號期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號增大，輸岀脈沖的寬度將減小。 控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往 誤差放大器的輸入端。tl494內(nèi)部電路方框圖gnd反相 輸入同相 輸入反饋 輸入基冷 輸出同相反相 輸入輸入圖(2-8)基t tl494的脈沖發(fā)生器tl49

15、4電路設(shè)計(jì)電力場效應(yīng)晶體管mosfet隨著信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合，形成了高 頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，其典型代表 就是電力場效應(yīng)晶體管mosfet1. 電力場效應(yīng)晶體管特點(diǎn)電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力power mosfeto特點(diǎn)是用柵極電壓 來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快， 工作頻率高，熱穩(wěn)定性好。但是電流容量小，耐壓低，一般適用于 功率不超過10kw的電源電子裝置。2. mosfet的結(jié)構(gòu)和工作原理d電力mosfet的種類按導(dǎo)電溝道可分為p溝道和n溝道，圖1-6 所示為n溝道結(jié)構(gòu)。電力mosfet的工作原理是：在截止?fàn)?/p>

16、態(tài)，漏源 極間加正電源，柵源極間電壓為零。p基區(qū)與n漂移區(qū)之間形成的pn 結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過。在導(dǎo)電狀態(tài)，即當(dāng)大于開啟電 壓或閾值電壓山時(shí)，柵極下p區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 p型半導(dǎo)體反型成n型而成為反型層，該反型層形成n溝道而使pn 結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。g1 isn溝道m(xù)osfet開關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100khz以上, 是電力電子器件中最高的。由于是場控器件，靜態(tài)吋兒乎不需輸入電 流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開 關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越人?？傠娐吩O(shè)計(jì)圖2. 5過壓過流保護(hù)原理與設(shè)計(jì)(1)過電壓保護(hù)過壓保護(hù)要根據(jù)

17、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，使過壓通過保護(hù)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(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了屯力電子器件。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)在冋路中， 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2-12所示。圖2-12 rc阻容過電壓保護(hù)電路圖（2）過電流保護(hù)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

18、制電路發(fā)生故障、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較差，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保 護(hù)。采用快速熔斷器是電力屯子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種的過流保護(hù)措施。過電流保護(hù)電路如圖2-13所示，其屮交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件 短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用。器件直接串接快速熔斷器才對元件的保護(hù)作用最 好，因?yàn)樗鼈兞鬟^同一個(gè)電流.因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護(hù)措施， 快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作z后 實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。圖2-1

19、3 k電流保護(hù)電過壓過流保護(hù)原理與設(shè)計(jì)圖 2-14根據(jù)主電路所示把輸出電壓，電流反饋冋來經(jīng)過集成運(yùn)放lm393 比較輸出，lm393輸出接494的4腳控制其死區(qū)電壓（高電平不工作、 低電平工作），通過調(diào)節(jié)r12可調(diào)節(jié)反饋電壓大小，當(dāng)lm393的3 腳反饋電壓增大超過2腳電壓時(shí)，1腳輸出高電平。tl494停止工作,即可起到過壓保護(hù)作用。過流保護(hù)工作原理同過壓保護(hù)一樣三.仿真分析與調(diào)試multimetergenerator圖3-13.1matlab仿真圖設(shè)計(jì)由前面所述原理可知uo = -n + 飾 e = eoffoff由于上式中的tg>,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。其中

20、，t/toff>l表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸 出電壓匕的大小，調(diào)節(jié)方法與改變占空比口的方法類似。將升壓比的 倒數(shù)記作0,即"學(xué),則0和&關(guān)系為4 + 0 = 1，因此u#e = ±e說明：當(dāng)所選的c能達(dá)到所需的輸出濾波要求時(shí)l可以選的足夠大，以便使開關(guān)變換器保持在連續(xù)的工作狀態(tài)，但電容器本身沒有完 美的電器性能所以其內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻將消耗一些功率。另外，等 效串聯(lián)電阻上的壓降會(huì)產(chǎn)生輸出紋波電壓，要減小這些紋波電壓只能 靠減少等效串聯(lián)電阻的值和動(dòng)態(tài)電流的值。類似的電容c選擇，經(jīng)常 由紋波電流的大小決定。截止頻率f的高低，lc的大小，都將影響 輸出紋波電

21、壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，選擇l和c時(shí)，要綜合考慮重量、 尺寸以及成木等因素。從改善動(dòng)態(tài)特性看，可考慮小電感量、大電容值。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“諸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t處于通態(tài)期間因電容c的作用使得 輸出電壓u。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，輸出電壓必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低，不過在電 容c足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。3. 2仿真結(jié)果期設(shè)為lkhz ,占空比為50%,電感為10mh,電容為2200uf,負(fù)載為100。時(shí)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下:圖3-0-

22、1負(fù)載電壓9& 2v圖3-0-2流經(jīng)電感l(wèi)的電流值為0. 982a可以知負(fù)載兩端的電壓與輸入電壓基木上成2倍的關(guān)系。即=tz*50 = 10° 負(fù)載不變?yōu)閕ooq,瞬lkiiz,占空比從5%到45%以等百分比遞增吋,輸出電壓，與輸入電壓和電路參數(shù)之間的關(guān)系。負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為51. 8v,基本上符合理論計(jì)算:b.占空比15%負(fù)載電壓約為51. 8v,基本上符合理論計(jì)算:圖3-3-1負(fù)載電壓65. 5v負(fù)載電壓約為65. 5v,基本上符合理論計(jì)算:d.占空比35%圖3-4-1負(fù)載電壓75. 6v圖3-4-2流經(jīng)電感l(wèi)的電流值為0. 75a負(fù)載電壓約為75. 6v,基本

23、上符合理論計(jì)算1-ae.占空比45%圖3-5-1負(fù)載電壓89. 3v圖3-5-2流經(jīng)電感l(wèi)的電流值為0. 89a負(fù)載電壓約為89. 3v,基本上符合理論計(jì)算v =vout 1in1-a在占空比為50%時(shí)，輸出電壓可以看到負(fù)載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關(guān)系。即由以上仿真圖形分析可得:1）占空比a越大負(fù)載輸出電壓越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越長2）電容c值越大峰值時(shí)間越大，第一個(gè)峰值越大3）電感l(wèi)值越大峰值時(shí)間越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越大在實(shí)際中可根據(jù)項(xiàng)目的人小、設(shè)計(jì)的實(shí)際要求及成本的大小選取 適當(dāng)?shù)碾姼须娙葜担赃_(dá)到設(shè)計(jì)的要求。（可以在一些經(jīng)驗(yàn)值附近選 取電感電容值，濱進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)最屮確定自己需要的電感電容值）這里僅根據(jù)要有良好的直流穩(wěn)定性和快速性，在a二50時(shí)經(jīng)過大 量的仿真實(shí)驗(yàn)選取的一組理想的電容電感值，及其此時(shí)的輸岀波形。 經(jīng)大量仿真結(jié)果比較分析可得，當(dāng)l=10e-3h. c=10e-3f是波形的快 速性和直流穩(wěn)定性比較理想。3.3仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過仿真實(shí)驗(yàn)和對仿真實(shí)驗(yàn)得到的輸出波形的分析可知，在直流 升壓斬波電路屮電感電容的對其負(fù)載電壓的影響。雖然理想的電感電 容值為無窮大，但這在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。如選取電感電容 值極大這必將和減小成本成為矛盾，而且由以上的