Boost升壓斬波電路

1、總目錄引言 21 升壓斬波工作原理 21.1 主電路工作原理 22 升壓斬波電路的典型應(yīng)用 43 設(shè)計內(nèi)容及要求 63 1 輸出值的計算 74 硬件電路 74.1 控制電路 74.2 觸發(fā)電路和主電路 94.3 .元器件的選取及計算 105 . 仿真 116 結(jié)果分析 147小結(jié) 148. 參考文獻 14引言隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 高壓開關(guān)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(lǐng)域。 所有的電力設(shè)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(shè)備擔負著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時所供的直流電壓不符合設(shè)備需要，仍需變換，稱為 DC/D

2、C 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(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)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(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路。 直流斬波技術(shù)已被廣泛運用開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 但以 IGBT 為功率器件的直流斬波電路在實際應(yīng)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(qū)動電路實現(xiàn)過流過壓保

3、護的問題。直流斬波電路實際上采用的就是PW眼術(shù)，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。PWME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(diào)整特性。 隨電子技術(shù)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(shè)計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點1 升壓斬波工作原理1.1 主電路工作原理1） 工作原理假設(shè)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 容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。圖1.1升壓斬波電路主電路圖

4、首先假設(shè)電感L值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，Q1導(dǎo)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uo為恒值，記為Uo。設(shè)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(shè)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 o當電路工作于穩(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EI1ton(U0E)I1toff(1-1)T E toff(1-2)化簡得ton toffU 0Etoff上式

5、中的T/toff 1,輸出電壓高于電源電壓。式（1-1）中T/toff為升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變輸出電壓Uo的大小。2）數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為ton,此階段L上積蓄的能量為：EmI1Ton設(shè)V斷態(tài)的時間為toff,則此期間電感L釋放能量為：（E-Em） I2ToffoFoff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，故為升壓斬波電路T/t off 升壓比；升壓比的倒數(shù)記為B ,即B =lofLo又因為a +B =1。所以:T(1-4)=1eeB 1a電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵開的作用，電容C可將輸出電壓保持 住。2升壓斬波電路

6、的典型應(yīng)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 此不必并聯(lián)電容器?；凇胺侄尉€性”的思想進行解析V處于通態(tài)時，設(shè)電動機 電樞電流為i 1,得下式(2-1)di1L - Ri1 Em dt式中R為電機電樞回路電阻與線路電阻之和設(shè)i 1的初值為I 解上式得L E -i1 I10e 1 eR(2-2 )當V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i2,得下式L 誓 Ri2Em

7、Edt(2-3)設(shè)i 2的初值為I 20,解上式得：-EE -i2 I20e m 1 eR(2-4)用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路波形：圖2.2電流連續(xù)升壓斬波電路波形圖2.3電流斷續(xù)升壓斬波電路波形當電流連續(xù)時，從圖1. 3的電流波形可看出，t =t on時刻i 1 = I 20t =t off 時刻 i 2=I 10由此可得：toff1020EmEmtonTe e ER1 e(2-5 )(2-6)(2-7)把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得1 101 20 m該式表示了 L為無窮大時電樞電流的平均值I。，即Io mEEmER R(2- 8)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)

8、的條件為(2- 9)1 e m 1 e根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷3設(shè)計內(nèi)容及要求1、輸入直流電壓：Ud=50V;2、輸出功率：150W3、開關(guān)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輸出值的計算由電路原理分析可知:U2 DUd 2 50V100V考慮1000的裕量:U21.1U0 110VU2110215081U2110記1.36AIl 1000I2 0.1 1.36 0.136A4硬件電路4.1控制電路振蕩輸反相輸人匚同川份人司奉螭匚RTZ敢電泄I軟門動蝌匚ViefVER管于地A潘E閉頓挫制訃憂圖 4.1 SG35251腳：誤

9、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(yīng)比振蕩器頻率fS要低一些;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+3R。,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0.0010.1小 F；6 腳：振蕩器外接定時電阻 RT端，RT值為2150 k Q;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0500 Q;8 腳：軟啟動端，外接軟啟動電容，該電容由內(nèi)部 Vref的50A恒流源充 電；9 腳：誤差放大器的輸出端；10腳：PWMF號封鎖端，當該腳為高 電平時，輸出驅(qū)

10、動脈沖信號被封鎖， 該腳主要用于故障保護；11腳：A路驅(qū)動信號輸出；12腳：接地；13腳：輸出集電極電壓；14腳：B路驅(qū)動信號輸出；15腳：電源，具范圍為835 V;16腳：內(nèi)部+ 5 V基準電壓輸出。控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生 PWM1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a的調(diào)節(jié)，達到控制輸出電壓大小的目的。止匕外，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(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的 CT 端和放電端問串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。止匕外此外，

11、其軟起動電路非常容易設(shè)計，只需外部接一個軟起動電容即可。圖4.2控制電路的protel設(shè)計4.2 觸發(fā)電路和主電路外接220V交流電壓經(jīng)過變壓器T1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PW肺制芯片SG3525為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比 可調(diào)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(jīng) 光耦合驅(qū)動電路控制主電路中

12、I GBT的開通和關(guān)斷。電路設(shè)計好后主電路中的電感電容值已確定，此時只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost Chopper輸出電壓。電路設(shè)計好后主電路中的電感電容值已 確定，此時只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost Chopper輸出電壓。占空比越大，Boost Chopper的輸出電壓值越大.5圖4.3 boost chopper觸發(fā)電路及主電路圖4.3 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RCDH8沖電路，也是一種耗能型緩沖電路。其中應(yīng)用元件需要要結(jié)合實際的情況進行選擇。其中的吸收電容配的 選擇可以采用一下公式:Lslo(4-1)(% + u)電路中的電阻Rs不

13、宜過大，如太大G放電時間過長，電不能完全放掉。但 Rs太小，在器件導(dǎo)通時，RS：s放電電流過大、過快，可能危及器件的安全，也可 能引起振蕩。一般的，電阻選擇參考下面的公式：1 Rs =(4-2)其中Ls一主電路電感，主要是沒有續(xù)流時的雜散電感；口皿一口上的最大充電電壓；U電源電壓；Io-負載電流；，四一開關(guān)頻率。需要注意的是，電容 應(yīng)該選擇無感電容；電阻要注意它的功耗，應(yīng)選擇相應(yīng)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(qū)動電路中元器件的選取可才參照電力電 子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)手冊等相關(guān)電力電子設(shè)計手冊也可以在后面參考文獻列 出的相關(guān)手冊中查找。5仿真主電路原理

14、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。IGBT用理想的方波發(fā)生器觸發(fā)，周期設(shè)為0.0001s,最大值設(shè) 為10V,通過調(diào)占空比來調(diào)輸出電壓。具保護電路，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主電路原理圖占空比為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 1占空比為40%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2占空比為50%電感為27e 5H,電容為375e 6F,電阻為81:：螞一空百曲片用用

15、勃超唱日。專Tire offset 匚圖5.4脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖36 結(jié)果分析從計算公式及仿真圖分析得出：1）占空比a越大負載輸出電壓越大，調(diào)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(diào)節(jié)時間越大。7 小結(jié)一個星期的課程設(shè)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(shè)計是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。通過這次設(shè)計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結(jié)合不了實際， 但通過這次設(shè)計使我認識到了理論結(jié)合實際的重要性。 但由于我知識的限制，設(shè)計還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。通過對電路圖的研

16、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下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務(wù)到查找資料，到設(shè)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(shè)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(xùn)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(dǎo)， 我會以這次課程設(shè)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(shù)（ 第四版 ）. 北京 : 機械工業(yè)出版社,2000 2 康華光 , 陳大欽 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)（ 第四版 ）. 北京 : 高等教育出版社,19983張義和.Protel DXP 電路設(shè)計快速入門 . 北京 : 中國鐵道出版社 ,20034張乃國.電源技術(shù).北京：中國電力出版社，19985何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計與