Boost升壓斬波電路..

1、2013 2014 學年 第 2 學期直流電機斬波電路課程設計報告題目：直流電機斬波電路專 業(yè)：自動化班級：11 自動化（1）班姓 名： 李勇劉城劉備李亞盧偉劉德指導教師：焦俊生電氣工程學院2014 年 4 月 2 日1、任務書課題名稱指導教師（職稱）焦俊生執(zhí)行時間20132014 學年第2 學期第 13 周學生姓名學號承擔任務李勇1109111021劉城1109111023劉備1109111022設計目的設計要求2、答辯記錄及評分表課題名稱答辯教師（職稱）答辯時間學年第學期第周答辯記錄評分表學生姓名學號評分摘要本設計是基于SG3525 芯片為核心控制的PWM 升壓斬波電路(Boostchop

2、per) .設計由 MATLAB 仿真和 PROTEL 兩大部分構成。MATLAB 主要是理論分析， 借助其強大的數(shù)學計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。通過設置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關系，最后進行了GUI 編程， 利用圖形可視化界面的直觀易懂的特點，使設計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，非常方便的就可進行控制參數(shù)輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是原理圖，它可以通過PROTEL 軟件設計完成，其中PROTEL 原理圖設計系統(tǒng)以其分層次的設計環(huán)境，強大的元件及元件庫的組織功能， 方便易用的連線工具，強大的編輯功能設計檢驗，與印制電路板設計系統(tǒng)

3、的緊密連接，自定義原理圖模板高質量的輸出等等優(yōu)點，和豐富的設計法則，易用的編輯環(huán)境。本設計也采用PROTEL 設計原理圖，它是本設計從理論到實際制作的必進途徑，通過設定相應的規(guī)則，足以滿足設計所要求的規(guī)定。關鍵字 ：升壓斬波;SG3525;SIMULINK ;PWM;PROTEL31引言 61 升壓斬波工作原理 61.1 主電路工作原理 62 升壓斬波電路的典型應用 83 設計內容及要求 103 1 輸出值的計算 104 硬件電路 114.1 控制電路 114.2 觸發(fā)電路和主電路 124.3 元器件的選取及計算 135 仿真 146 結果分析 167 小結 168 參考文獻 17附錄 18隨

4、著電力電子技術的迅速發(fā)展，高壓開關穩(wěn)壓電源已廣泛用于計算機、通信、工業(yè)加工和航空航天等領域。所有的電力設備都需要良好穩(wěn)定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流任務。但有時所供的直流電壓不符合設備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DC-DC 變換器，在直流傳動系統(tǒng).、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛運用開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)

5、、快速響應、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT 在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波能領域得到了廣泛的應用。 但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應用中需要注意以下問題：（ 1）系統(tǒng)損耗的問；（ 2）柵極電阻；（ 3）驅動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨電子技術的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點1 升壓斬波

6、工作原理1.1 主電路工作原理1）工作原理假設 L 和 C 值很大。 V處于通態(tài)時，電源E 向電感 L 充電，電流恒定I1 ，電圖 1.1 升壓斬波電路主電路圖首先假設電感L 值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，Q1導通，12V電源向 L充電， 充電基本恒定為I1 , 同時電容C上的電壓向負載R供電， 因 C值很大，基本保持輸出電壓u o為恒值，記為U o。設 V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L 上積儲的能量為EI1ton。當V處于段態(tài)時E和 L 共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于段態(tài)的時間為toff ，則在此期間電感L 釋放的能量為 （U 0 E）I1toff 。當電

7、路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感 L 積儲的能量于釋放的能量相等，即1-1 )EI1ton(U 0 E)I1toff化簡得U 0tontofftoffETtoff上式中的T /toff 1 ，輸出電壓高于電源電壓。式（ 1-2 ）1-1 ）中 T / toff 為升壓比，調節(jié)其大小即可改變輸出電壓Uo的大小。2） 數(shù)量關系設 V通態(tài)的時間為t on，此階段L 上積蓄的能量為：EmI 1Ton設 V斷態(tài)的時間為t off ，則此期間電感L 釋放能量為：（ E-Em） I 2Toff穩(wěn)態(tài)時，一個周期T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等：（ 1-3 ）T/t off >1，輸出電壓高于電源電壓，

8、故為升壓斬波電路。T/t off 升壓比 ; 升壓比的倒數(shù)記為 ，即 = toff 。又因為 + =1。所以：TU0=1 E= 1 E（ 1-4） 1電感 L 儲能使電壓泵升的作用，電容C可將輸出電壓保持住。2 升壓斬波電路的典型應用圖 2.1 用于直接電動機回饋能量的升壓斬波電路圖通常用于直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源實際 L值不可能為無窮大，因 此 有 電 動 機 電 樞 電 流 連續(xù)和斷續(xù)兩種工作 狀態(tài)電機反電動勢相當 于 圖 1.1 中 的 電 源 ， 此時直流電源相 當 于 圖 1. 1 中 的 負 載 。由 于 直 流 電 源 的 電 壓 基 本 是 恒 定 的 ，因 此

9、不必并聯(lián)電容器。基 于“ 分 段 線 性 ”的 思 想 進 行 解 析 V 處 于 通 態(tài) 時 ，設 電 動 機 電 樞 電 流 為 i1， 得 下 式di1L 1Ri1Em（ 2-1）dt 1 m式 中 R為 電 機 電 樞 回 路 電 阻 與 線 路 電 阻 之 和 。設 i1的 初 值 為 I 10，解 上 式 得t Emti1I 10e1 e（ 2-2 ）110R當 V處 于 斷 態(tài) 時 ， 設 電 動 機 電 樞 電 流 為 i 2， 得 下 式 ：Ldi2 Ri2EmE（ 2-3）dt設 i2的 初 值 為 I20， 解 上 式 得 ：tEE ti2 I20eE Em 1 e（ 2

10、-4）220R用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路波形：電 流 連 續(xù) 時 ， 從 圖 1. 3的 電 流 波 形 可 看 出 ， t =ton時 刻 i 1=I 20t=toff時 刻 i 2=I 10， 由 此 可 得 ：1020EmEmRtoff1e ETR1ee eET1e1eE1eRme eE1e R2-5 )2-6)把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得對電流斷續(xù)工作狀態(tài)的進一步分析可得出：電流連續(xù)（ 2-7 ）（ 2- 8）條件為（ 2- 9）RU221102P 15081I2110811.36AI 10 I 20 m R該 式 表 示 了 L 為 無 窮 大 時 電 樞 電 流 的

11、平 均 值 Io， 即Iom E EmEoRR1e m1e根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷3 設計內容及要求1、輸入直流電壓：Ud=50V；2、輸出功率：150W；3、開關頻率：10kHz；4、占空比：0.10.5 ；5、電阻性負載；6、輸出電壓脈率：小于10%。3 1 輸出值的計算U2 DUd 2 50V 100V考慮1000的裕量: U2 1.1U 0 110VIL 1000I2 0.1 1.36 0.136A4 硬件電路4.1 控制電路圖 4.1 SG35251 腳：誤差放大器的反相輸入端；2 腳：誤差放大器的同相輸入端；3 腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應比振蕩器頻率fS 要低一

12、些；4 腳：振蕩器輸出；5 腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs 1 CT( 0.7RT+3R0) ,R0 為5 腳與 7 腳之間跨接的電阻，用來調節(jié)死區(qū)時間，定時電容范圍為0.001 0.1 F；6 腳：振蕩器外接定時電阻RT端，RT值為2 150 k ；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 ；8 腳：軟啟動端，外接軟啟動電容，該電容由內部Vref 的 50 A恒流源充電；9 腳：誤差放大器的輸出端；10腳：PWM信號封鎖端，當該腳為高電平時，輸出驅動脈沖信號被封鎖，該腳主要用于故障保護；11 腳：A路驅動信號輸出；12 腳：接地；13 腳：輸出集電極電

13、壓；14 腳：B路驅動信號輸出；15 腳：電源，其范圍為8 35 V；16 腳：內部5 V 基準電壓輸出。控制電路需要實現(xiàn)的功能是產生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 的調節(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。被實驗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的范圍內調節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內調節(jié)死區(qū)時間。此外此外，其軟起圖 4.2 控制電路的protel 設計1.2 觸發(fā)電路和主電路外接 220V交流電壓經過變壓器T1

14、和不控整流電路得到50V的直流電壓E作為 Boost Chopper 的輸入電壓給Boost Chopper 供電。 為使 IGBT在過壓時不至于損害和抑制IGBT的電流變化過快及其兩端電壓變化過快而給IGBT帶來的損害，在主電路中為其加入緩沖電路和過壓保護電路是必要的。觸發(fā)電路以專用的PWM控制芯片SG3525為核心構成，控制電路輸出占空比可調的矩形波形，占空比受Uco的控制（如圖1-13） 。觸發(fā)電路輸出的矩形波經光耦合驅動電路控制主電路中I GBT 的開通和關斷。電路設計好后主電路中的電感電容值已確定，此時只要調節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調節(jié)Boost Chopper 輸出電壓。電路設計好后

15、主電路中的電感電容值已確定，此時只要調節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調節(jié)Boost Chopper 輸出電壓。占空比越大，Boost Chopper 的輸出電壓值越大.圖 4.3 boost chopper 觸發(fā)電路及主電路圖1.3 元器件的選取及計算本硬件試驗中緩沖電路選取的是充放電型RCDH緩沖電路，也是一種耗能型緩沖電路。其中應用元件需要要結合實際的情況進行選擇。其中的吸收電容錯誤！未找到引用源。的選擇可以采用一下公式：（ 4-1 ）電路中的電阻Rs不宜過大，如太大錯誤！未找到引用源。放電時間過長，電不能完全放掉。但Rs 太小，在器件導通時，Rs 錯誤！未找到引用源。放電電流過大、過快，可能危及

16、器件的安全，也可能引起振蕩。一般的，電阻選擇參考下 面的公式：（ 4-2 ）其中 Ls 主電路電感，主要是沒有續(xù)流時的雜散電感；錯誤！未找到引用源。 上的最大充電電壓；錯誤！未找到引用源。電源電壓；Io- 負載電流;錯誤！未找到引用源。開關頻率。需要注意的是，電容應該選擇無感電容；電阻要注意它的功耗，應選擇相應的功率電阻；吸收模塊的制作要注意絕緣。IGBTG過壓保護電路、觸發(fā)電路和驅動電路中元器件的選取可才參照電力電子設備設計和應用技術手冊等相關電力電子設計手冊也可以在后面參考文獻列出的相關手冊中查找。5 仿真主電路原理圖如圖5.1 所示其工作原理，前言中已說明，這里再補充說明電路中的幾個模塊

17、。IGBT用理想的方波發(fā)生器觸發(fā)，周期設為0.0001s， 最大值設為10V，通過調占空比來調輸出電壓。其保護電路，觸發(fā)電路將在protel 中實現(xiàn)。示波器用來觀察電感電流，電源電壓波形和負載電壓輸出波形。圖 5.1 主電路原理圖30%，電感為27e 5H,電容為375e 6F, 電阻為 81 ：圖 5.2 脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖140%，電感為27e 5H,電容為375e 6F, 電阻為 81 ：圖 5.3 脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖250%，電感為27e 5H,電容為375e 6F, 電阻為81 ：圖 5.4 脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖36 結果分析從計算公式及仿真圖分析得

18、出：1) 占空比 越大負載輸出電壓越大，調節(jié)時間越長；2) 電容C值越大峰值時間越大，第一個峰值越大；3) 電感L 值越大峰值時間越大，調節(jié)時間越大。7 小結一個星期的課程設計，使我有了很多的心得體會，可以說這次直流電機斬波電路的課程設計是在大家共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。通過這次設計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結合不了實際， 但通過這次設計使我認識到了理論結合實際的重要性。但由于我知識的限制，設計還有很多不足之處，希望老師指出并教導。通過對電路圖的研究，也增強了我們的思考能力。另外，在使用PROTEL軟件繪制電路圖的過程中，我學到了很多實用的技巧，這也為以后的工作打

19、下了很好的基礎。從開始任務到查找資料，到設計電路圖，到最后的實際接線過程中，我學到了課堂上學習不到的知識。上課時總覺得所學的知識太抽象，沒什么用途，現(xiàn)在終于認識到它的重要性。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識, 發(fā)現(xiàn) , 提出 , 分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié), 是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。很感激學校給了我們這次動手實踐的機會，讓我們學生有了一個共同學習，增長見識，開拓視野的機會。也感謝老師對我們無私忘我的指導，我會以這次課程設計作為對自己的激勵，繼續(xù)學習。8 參考文獻 1王兆安 , 黃俊 . 電力電子技術（ 第四版 ）. 北京 : 機械工業(yè)出版社,2000 2康華光

20、, 陳大欽 . 電子技術基礎（ 第四版 ）. 北京 : 高等教育出版社 ,1998 3張義和.PROTEL DXP電路設計快速入門. 北京 : 中國鐵道出版社,20034 張乃國電源技術北京：中國電力出版社，19985 何希才新型開關電源設計與應用北京：科學出版社，20016 阮新波，嚴仰光直流開關電源的軟開關技術北京：科學出版社，20007 陳汝全電子技術常用器件應用手冊機械工業(yè)出版社8 陳禮明實際直流斬波電路中若干問題的淺析梅山科技，2005PROTEL簡介PROTEL： PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的EDA 軟件， 在電子行業(yè)的 CAD 軟件中，它當之無愧地排

21、在眾多EDA 軟件的前面，是電子設計者的首選軟件， 它較早就在國內開始使用，在國內的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開設了課程來學習它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用PROTEL。早期的PROTEL 主要作為印制板自動布線工具使用，運行在DOS 環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286 機的 1M 內存下就能運行，但它的功能也較少，只有電原理圖繪制與印制板設計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的PROTEL已發(fā)展到PROTEL99（網(wǎng)絡上可下載到它的測試板）， 是個龐大的EDA 軟件， 完全安裝有200 多 M，它工作在W

22、INDOWS95 環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)，它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計（包含印制電路板自動布線）、 可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務器）體系結構， 同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如 ORCAD ， PSPICE， EXCEL等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度PCB 的 100布通率。在國內PROTEL 軟件較易買到，有關PROTEL 軟件和使用說明的書也有很多，這為它的普及提供了基礎。想更多地了解PROTEL 的軟件功能或者下載PROTEL9

23、9 的試用版，可以在INTERNET 上訪問它的站點：HTTP:/WWW.PROTEL.COM這款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面繼承包括99SE， Protel2004在內的先前一系列版本的功能和優(yōu)點以外，還增加了許多改進和很多高端功能。AltiumDesigner 6.0 拓寬了板級設計的傳統(tǒng)界限，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現(xiàn)功能，從而允許工程師能將系統(tǒng)設計中的FPGA與 PCB 設計以及嵌入式設計集成在一起。首先：在PCB 部分，除了Protel2004 中的多通道復制；實時的、 阻抗控制布線功能；SitusTM 自動布線器等新功能以外，Altiu

24、m Designer 6.0還著重在：差分對布線，F(xiàn)PGA器件差分對管腳的動態(tài)分配，PCB 和 FPGA之間的全面集成，從而實現(xiàn)了自動引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。還有PCB 文件切片， PCB 多個器件集體操作，在PCB 文件中支持多國語言（中文、英文、德文、法文、日文）,任意字體和大小的漢字字符輸入，光標跟隨在線信息顯示功能，光標點可選器件列表，復雜 BGA 器件的多層自動扇出，提供了對高密度封裝（如BGA）的交互布線功能, 總線布線功能，器件精確移動，快速鋪銅等功能。交互式編輯、出錯查詢、布線和可視化功能，從而能更快地實現(xiàn)電路板布局,支持高速電路設計，具有成熟的布線后信號完整性分析工具. A

25、ltium Designer 6.0 對差分信號提供系統(tǒng)范圍內的支持，可對高速內連的差分信號對進行充分定義、管理和交互式布線。支持包括對在FPGA項目內部定義的LVDS 信號的物理設計進行自動映射。LVDS 是差分信號最通用的標準，廣泛應用于可編程器件。AltiumDesigner 可充分利用當今FPGA 器件上的擴展I/O 管腳。其次，在原理圖部分，新增加 “靈巧粘帖”可以將一些不同的對象拷貝到原理圖當中，比如一些網(wǎng)絡標號， 一頁圖紙的BOM 表，都可以拷貝粘帖到原理圖當中。原理圖文件切片，多個器件集體操作，文本筐的直接編輯，箭頭的添加，器件精確移動，總線走線，自動網(wǎng)標選擇等！強大的前端將多

26、層次、多通道的原理圖輸入、VHDL 開發(fā)和功能仿真、 布線前后的信號完整性分析功能。在信號仿真部分，提供完善的混合信號仿真 ,在對 XSPICE 標準的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。對FPGA 設計提供了豐富的IP 內核，包括各種處理器、存儲器、外設、接口、以及虛擬儀器。第三在嵌入式設計部分，增強了JTAG 器件的實時顯示功能，增強型基于FPGA的邏輯分析儀，可以支持32位或 64位的信號輸入。除了現(xiàn)有的多種處理器內核外，還增強了對更多的32 位微處理器的支持，可以使嵌入式軟件設計在軟處理器，F(xiàn)PGA內部嵌入的硬處理器，分立處理器之間無縫的遷移。使用了 Wishbone 開放

27、總線連接器允許在FPGA上實現(xiàn)的邏輯模塊可以透明的連接到各種處理器上。MATLAB簡介MATLAB 是美國 MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，和Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 來解算問題要比用C， FORTRAN 等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork 也吸收了像Maple 等軟件的優(yōu)點,使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C， FORTRAN， C+ ， JAVA的支持。 可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。MATLAB