升壓斬波電路課程設(shè)計報告

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計題目：升壓斬波電路的設(shè)計英文題目 ： The Design of Boost Chopper院系： 電氣工程與自動化年級專業(yè)： 2011 級電氣工程及其自動化姓名：）2014年 6 月 30 日目錄目錄 11. 設(shè)計的題目 3 1.1 引言 31.2 升壓斬波電路的應(yīng)用 42. 設(shè)計的任務(wù)： 4 2.1 課程設(shè)計要求 42.2Boost 電路技術(shù)參數(shù)及要求 53. 設(shè)計的依據(jù)： 5 3.1 總體構(gòu)思依據(jù) 53.2 理論計算依據(jù) 64. 設(shè)計的內(nèi)容： 74.1 主電路的選擇與計算過程7錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.2 控制

2、電路的選型與計算過程7錯誤!未定義書簽。4.2.2 NE555 工作原理 8錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.3 帶 tlp250光耦合器的驅(qū)動電路的選型94.3.1 tlp250引腳圖及引腳9錯誤!未定義書簽。4.4 繪制原理圖和 PCB9錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.4.3 555電路圖 94.4.4光耦 tlp250原理圖 9錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.5 列出元器件的規(guī)格、型號和明細(xì)表94.6PCB實(shí)物制作和調(diào)試過程11錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和處理125

3、. 心得體會 126. 主要參考文獻(xiàn) 141. 設(shè)計的題目1.1 引言隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已被廣泛用于計算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有動力機(jī)裝置需要一個穩(wěn)定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)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)。但有時那轉(zhuǎn)變的直流電壓同所需設(shè)備要求人仍不相符，仍需變換，稱為 DC/DC變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在充電蓄電電路、直流傳動系統(tǒng)、電力電子變換裝置、開關(guān)電源及各種用電設(shè)備中得到普遍的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路、升降壓斬波電路

4、等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于直流開關(guān)電源和電機(jī)推動中，使其控制獲得加速平滑、快速響應(yīng)、加快節(jié)能的效果。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是 PWM技術(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。 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(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(diǎn)。本次的課程設(shè)計主要是升壓斬波電路的設(shè)計。本設(shè)計是基于NE555芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（ Boost chopper ）. 設(shè)計采用 Ma

5、tlab 和 Protel及 protues 三個軟件進(jìn)行仿真制作。先提出設(shè)計的目的，設(shè)計要求，然后根據(jù)目的和要求找出主電路，控制電路的設(shè)計方案，然后根據(jù)設(shè)計方案確定元器件選擇， protues 畫出原理圖，然后仿真出波形。Matlab 主要是理論分析，借助其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)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(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系。Protel進(jìn)行封裝，印刷出電路板進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。1.2 升壓斬波電路的應(yīng)用升壓斬波電路目前的典型應(yīng)用，一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（ power factor correction,PFC）電路，三是用于其

6、它交直流電源中。2. 設(shè)計的任務(wù)：2.1 課程設(shè)計要求1) 熟悉掌握變換電路和控制電路的基本原理， 掌握主電路設(shè)計的過程 （包括計算和器件選型）2)能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識，分析設(shè)計任務(wù)并使用Matlab 或 Saber 等仿真說明3)能正確設(shè)計電路與圖紙（ Protel99se/AltiumDesign原理圖和單層板 PCB圖紙），完成 PCB實(shí)物制作并調(diào)試4) 掌握實(shí)際電路的測量與調(diào)試方法，對數(shù)據(jù)和波形分析、處理并加以判斷2.2Boost 電路技術(shù)參數(shù)及要求1）輸入直流電壓： Ud=24V；2) 輸出功率： 030W；3）開關(guān)頻率： 1020KHz；4) 占空比： 10%50%；5）輸出電壓

7、脈率：小于10%。3. 設(shè)計的依據(jù)：3.1 總體構(gòu)思依據(jù)直流斬波電路總共分為三個部分電路摸塊，分別為主電路模塊控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。1、主電路模塊： 由 MOS管的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小。2、控制電路模塊：用來PWM技術(shù)控制 MOS管的開通與關(guān)斷。3、驅(qū)動電路模塊：用555 諧振蕩器來驅(qū)動MOS管原理框圖：控制電路驅(qū)動電路Boost555 諧振蕩器主電路43.2 理論計算依據(jù)假設(shè) L 值、 C 值很大， V 通時， E 向 L 充電，充電電流恒為I 1 ，同時 C 的電壓向負(fù)載供電，因 C 值很大，輸出電壓為 U o 恒值 , 記為 U o 。設(shè) V 通的時間為

8、t on ，此階段 L 上積蓄的能量為 E I 1 t on ，V 斷時，E和 L 共同向 C 充電并向負(fù)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 ? (U 0 E) I 1toff穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等，化簡得： ?(U 0 E)I 1toffEI 1ton ?.（1-1 ）tontoffET?.（1-2 ）U 0Et offtoffT / t off 1 ，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為Boost Chopper 變換器。 ?T / t off 升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作，即t off 。

9、和導(dǎo)通T占空比，有如下關(guān)系： ?1 .（1-3 ）因此式（ 1-2 ）可表示為 :U o1 E1E .（1-4 ）1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 ?4. 設(shè)計的內(nèi)容：4.1 主電路的選擇與計算過程1）輸出電壓：1U dU 01 D.(1-5)2）輸出電流：3）負(fù)載阻值：U20RP0(1-6).4）紋波電壓：5）電容：6）電感：直流電源參數(shù)設(shè)置為24V，占空比取 30%。4.2 控制電路的選型與計算過程因?yàn)樵O(shè)計課題要求，所以選用555 作為 PWM發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為 518V表

10、示；從分壓器上看出， 上比較器A1的腳接在 R1 和 R2之間，所以 5腳的電壓固定在 2UCC/3上；下比較器 A2接在 R2與R3之間， A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器2腳輸入的高電平時，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平； 2腳和 6腳是互補(bǔ)的， 2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于 1Ucc/3 ，此時 3腳輸出高電平。6 腳為閾值端，只對高電平起作用， 低電平對它不起作用， 即輸入電壓大于 2 Ucc/3 ，稱高觸發(fā)端，

11、3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即 2腳電位必須大于 1Ucc/3 時才有效。 3腳在高電位接近電源電壓 Ucc，輸出電流最大可打 200mA。4 腳是復(fù)位端，當(dāng) 4腳電位小于 0.4V 時，不管 2、6腳狀態(tài)如何，輸出端 3腳都輸出低電平。5 腳是控制端。7 腳稱放電端，與 3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以 3腳稱為實(shí)高（或低）、 7腳稱為虛高。4.2.2 NE555 工作原理555 電路它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2 的反相輸入端的

12、參考電平為?2/3VCC?和 1/3VCC。A1與 A2 的輸出端控制 RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自 6 端輸入并超過參考電平 2/3?VCC時，觸發(fā)器復(fù)位， 555 的輸出端 3 端輸出低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通。取占空比 DRA0.3 ，RA RB頻率取 f15Hz, 則 3RB7RA ,由 TRACLn 2 RB CLn2(取 C0.01uF ) , 得：RA73RA10；RA3K, RB7K4.3 帶 tlp250光耦合器的驅(qū)動電路的選型4.3.1 tlp250引腳圖及引腳因?yàn)橹麟娐冯妷壕鶠楦唠妷骸⒋箅娏髑闆r，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提

13、高系統(tǒng)抗干擾措施，可采用帶光電隔離的 MOSFET驅(qū)動芯片 TLP250 。光耦 TLP250 是一種可直接驅(qū)動小功率 MOSFET和IGBT 的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動能力達(dá) 1 . 5 A 。選用 TLP250 光耦既保證了功率驅(qū)動電路與 PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動 MOSFET的能力，使驅(qū)動電路特別簡單。4.4 繪制原理圖和 PCB4.4.3 555電路圖4.4.4光耦 tlp250原理圖4.5 列出元器件的規(guī)格、型號和明細(xì)表器件名稱規(guī)格型號個數(shù)（個）保險絲1.5AF1.5AL2501保險絲座2船型開關(guān)10A/250VAC1電解電容50V/470uf

14、1電解電容50v/220UF140 芯彩色扁平電纜若干線1.5 方多股電纜（紅）若干1.5 方多股電纜（黑）若干1.5 方多股電纜（黃）若干獨(dú)石50V/0.1uf1045獨(dú)石50V/0.01uf1035MOSFETIRF530N1快恢復(fù)二極管MBR101501穩(wěn)壓管5.1V1二極管IN40042高速光耦TLP2501功率電感1mH2電阻1K,3K,100 ，各 1 個10K滑動變阻計2K1大功率可調(diào)線繞電阻200RXG20-T-50W1控制芯片 NE555NE5551接插件2EDG-5.08-2P48 腳圓孔 IC 插座2開關(guān)穩(wěn)壓電源120W,24V1單相三線電源線14 插位帶獨(dú)立觸點(diǎn)開1關(guān)

15、3 米插線板ACDC輔助電源12V， 1A1ACDC輔助電源5V, 1A14.6PCB實(shí)物制作和調(diào)試過程調(diào)試時可分為三個模塊進(jìn)行：1、555 脈沖產(chǎn)生模塊測試： 這是測試控制回路的最基本要求，分別測試脈沖波形、頻率與幅值，并通過調(diào)節(jié)電位器改變占空比。2、光耦隔離器觸發(fā)脈沖測試：光耦隔離器TPL250為 MOSFET管的驅(qū)動模塊，其產(chǎn)生一個高電平為7V 和一個低電平為 -5V 的驅(qū)動脈沖，頻率與555 脈沖一致。3、主回路負(fù)載兩端輸出測試：負(fù)載兩端的電壓波形與仿真一致，輸出電壓結(jié)果與計算結(jié)果和仿真一致，調(diào)節(jié)不同占空比可得到不同脈振率的輸出電壓波形。1）實(shí)際電路 MOSFET觸發(fā)脈沖波形為方波 ；

16、2）實(shí)際輸出電壓值：器件名稱理論值實(shí)際值主電路電容11.3uF220uF主電路電感96uH2mHNE555實(shí)際電路電阻 RA3K1.3KNE555實(shí)際電路電阻 RB7K4.7K4.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和處理在做完板子進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)控制電路輸出脈沖的頻率太低，低于5KHZ，使得主電路中的電感容易燒壞，便對控制電路中電阻RA和 RB進(jìn)行修改，使得最終輸出的頻率達(dá)到 10KHZ以上。盡管如此，但是在測試主電路時發(fā)現(xiàn)電感還是還是容易發(fā)燙，并且正常工作一段時間后燒掉， 于是便上網(wǎng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)是我們用的理論計算值220UH的電感太小，便對電感進(jìn)行更換，換成1MH的電感后雖然不會很快燒掉，但是還是會發(fā)燙得厲

17、害。后面想再加大電感，但是實(shí)驗(yàn)室里面沒有合適的電感，再大一些的就剩10MH的電感，但會使電壓降低的太厲害，于是我們想到的處理辦法是用兩個1MH的電感進(jìn)行串聯(lián)，最后才使得主電路可以正常工作。通過這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出的結(jié)論是按照本次實(shí)驗(yàn)的要求做的升壓電路中電感的值應(yīng)取23MH，負(fù)載兩端的電容應(yīng)取470UF，并且為使輸出的波形毛刺少些，可在輸出端加幾個104、103 的濾波電容。5. 心得體會經(jīng)過一番深刻的探究后，我們小組最終選擇了難度適中的升壓斬波電路設(shè)計。原本我們也曾考慮過反激電路的設(shè)計，但由于其設(shè)計過程和設(shè)計工藝對于我們來說過于復(fù)雜，而且缺乏理論知識的支撐，使課程設(shè)計結(jié)果可能不盡人意，所以放棄

18、該課題的設(shè)計實(shí)驗(yàn)。選定明確的課題任務(wù)以后，第一步，我們開始集合小組各個成員的力量，并分配各個成員的任務(wù)。通過各個渠道收集升壓斬波電路各元件的計算公式，和NE555觸發(fā)器的原理圖，了解其各個引腳的工作方式以及運(yùn)用NE555觸發(fā)的控制電路的相關(guān)信息。之后，成員之間進(jìn)行了相互討論和推敲，得到令人滿意的計算結(jié)果，再結(jié)合老師所給的參考信息，最終選定了控制電路及主電路的電感、電容和電阻等器件的型號。第二步，進(jìn)行仿真電路的仿真，仿真軟件包括MATLAB、PROTEL及 PROTUES。由于在之前的電力電子課程中， 老師已經(jīng)提前教我們?nèi)腴T如何使用matlab 進(jìn)行一些簡單的仿真以及 protel的入門使用，我們對于軟件的使用便沒有那么生疏了。通過小組成員之間的相互合作，仿真過程進(jìn)行的相當(dāng)順利，其結(jié)果也相當(dāng)令人滿意，得出理想的設(shè)計方案。最后一步，我們終于動手開始制作電路板，然后進(jìn)行電路調(diào)試。在調(diào)試的其中我們也遇到了很多的問題，其中在調(diào)試555 時基電路中示波器的接地觸頭放在 12V 電源的接地端，會發(fā)現(xiàn)示波器不會輸出波形，而放在5V 電源的接地端則可以得到很不錯的波形，關(guān)于這個問題，我們也很難理解。在主電路的調(diào)試過程中，起初我們使用 220uH的電感，把保險絲直接燒毀，之后換了 1mH的電感保險絲扔被燒毀，我們發(fā)現(xiàn) 24v 供給電源的輸出額定電流有 14.6A, 就認(rèn)為可能是由于