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SG3

2、525芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.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。通過設置參數分析輸出與電路參數和控制量的關系，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

3、輯功能設計檢驗，與印制電路板設計系統的緊密連接，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;PROTEL 目錄引言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1031輸出值的計算114 硬件電路114.1控制電路114.2 觸發(fā)電路和主電路134.3 元器件的選取及計算145 仿真156 結果分析177 小結178 參考文獻18附錄19引言

4、 隨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.、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

5、穩(wěn)、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）系統損耗的問；（2）柵極電阻；（3）驅動電路實現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量、連線和焊點1 升壓斬波工作原理1

6、.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,同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積儲的能量為。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，則在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中

7、電感L積儲的能量于釋放的能量相等，即 （1-1）化簡得 （1-2）上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（1-1）中為升壓比，調節(jié)其大小即可改變輸出電壓的大小。2)數量關系設V通態(tài)的時間為t，此階段L上積蓄的能量為：EIT設V斷態(tài)的時間為t，則此期間電感L釋放能量為：（E-E）IT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>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。T/t升壓比;升壓比的倒數記為，即=。又因為+=1。所以： U=E=E （1-4）電壓升高得原因：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

8、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 （2-1）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I10，解上式得 （2-2） 當V處于斷態(tài)時，設電動機電樞電流為i2，得下式： （2-3） 設i2的初值為I20，解上式得： （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

9、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=ton時刻i1=I20，t=toff時刻i2=I10，由此可得： （2-5） （2-6） 把上面兩式用泰勒級數線性近似，得 （2-7） 該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即 （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)的條件為 （2-9） 根據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%。31輸出值的計算由電路原理分析可知：考慮1

10、0的裕量: 4 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要低一些； 4 腳：振蕩器輸出； 5 腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs1CT（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0.0010.1 F； 6 腳：振蕩器外接定時電阻RT端，RT值為2150 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0500 ； 8 腳：軟啟動端，外接軟啟動電容，該電容由內部Vref的50A恒流源充電； 9 腳：誤

11、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：輸出集電極電壓； 14腳：B路驅動信號輸出； 15腳：電源， 其范圍為835 V； 16腳：內部5 V基準電壓輸出?？刂齐娐沸枰獙崿F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

12、端和放電端間串聯一個電阻可以在較大范圍內調節(jié)死區(qū)時間。此外此外，其軟起動電路非常容易設計，只需外部接一個軟起動電容即可。圖4.2 控制電路的protel設計4.2 觸發(fā)電路和主電路外接220V交流電壓經過變壓器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

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。其中的吸收電容的選擇可以采用一下公式：（4

14、-1）電路中的電阻Rs不宜過大，如太大放電時間過長，電不能完全放掉。但Rs太小，在器件導通時，Rs 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： （4-2）其中 Ls主電路電感，主要是沒有續(xù)流時的雜散電感；上的最大充電電壓； 電源電壓； Io-負載電流;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

15、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。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27eH,電容為375eF,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27eH,電容為375eF,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27eH,電容為375eF,電阻為81： 圖5.4 脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖36

16、 結果分析從計算公式及仿真圖分析得出：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

17、用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎。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,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,20002康華光,

18、陳大欽.電子技術基礎(第四版). 北京: 高等教育出版社,19983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，200520附錄 PROTEL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，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設計者

19、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，而現今的PROTEL已發(fā)展到PROTEL99（網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WINDOWS95環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設計系統，它

20、包含了電原理圖繪制、模擬電路與數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PROTEL99的試用版，可以在INTERNET上訪問它的站點：HTTP:/WWW.PROTEL.

21、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。Altium Designer 6.0拓寬了板級設計的傳統界限，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能，從而允許工程師能將系統設計中的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，Altium Designer 6.0還著重在：差分對布線，FPGA器件差分對管腳的動態(tài)分配， PCB和FPG

22、A之間的全面集成，從而實現了自動引腳優(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. Altium Designer 6.0 對差分信號提供系統范圍內的支持，可對高速內連的差分信號對進行充分定義、管理和

23、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。Altium Designer 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，自動網標選擇等！強大的前端將多層次、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

24、,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，FPGA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 開放總線連接器允許在FPGA上實現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

25、的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數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并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、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的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、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成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數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的優(yōu)勢 （1）友好的工作平臺和編程環(huán)境 MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLA