電力電子課程設(shè)計(jì)直流斬波電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱： 直流斬波電路的設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)系：電氣與信息工程系 年級(jí)： 專業(yè)：自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名學(xué)生姓名課題名稱直流斬波電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求（1）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析設(shè)計(jì)任務(wù)。（2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。（3）能正確設(shè)計(jì)電路，畫(huà)出線路圖，分析電路原理。（4）廣泛收集相關(guān)資料。（5）獨(dú)立思考，刻苦專研，嚴(yán)禁抄襲。（6）按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確的書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)所要設(shè)計(jì)地任務(wù)進(jìn)行具體分析，充分了解系統(tǒng)性能，指標(biāo)要求。（2）制定設(shè)計(jì)方案。（3）迸

2、行具體設(shè)計(jì)：?jiǎn)卧娐返脑O(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算；器件選擇；繪制電路原理圖。（4）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（說(shuō)明書(shū)）：課程設(shè)計(jì)報(bào)告是對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程的系統(tǒng)總結(jié)。三、技術(shù)指標(biāo)斬波電路輸出電壓為100±5V，直流降壓斬波電路輸入電壓為直流流200V，直流升壓斬波電路輸入電壓為直流50V。脈沖周期為50S（降壓）40S（升壓），脈沖信號(hào)占空比可以通過(guò)SG3525調(diào)節(jié)。進(jìn)度安排起止日期設(shè)計(jì)內(nèi)容6.1分析設(shè)計(jì)任務(wù)，確定元件參數(shù)、指標(biāo)6.1用Multisim進(jìn)行仿真，Protel繪制硬件電路圖6.2撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告答辯成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn)摘 要直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換

3、器（DC/DC Converter），直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）。本設(shè)計(jì)是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調(diào)制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設(shè)計(jì)分為Multisim仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。Multisim主要是仿真分析，借助其強(qiáng)大的仿真功能可以很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線圖，通過(guò)設(shè)

4、置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結(jié)果。第二部分是硬件電路設(shè)計(jì)，它通過(guò)Protel等軟件設(shè)計(jì)完成。關(guān)鍵字：直流斬波；PWM；SG3525目 錄1 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)11.1直流斬波電路原理1直流降壓斬波電路1直流升壓斬波電路21.2主電路的設(shè)計(jì)3直流降壓斬波電路3直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù)3直流升壓斬波電路4直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算42觸發(fā)電路設(shè)計(jì)52.1控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5PWM控制芯片SG3525簡(jiǎn)介5SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性5觸發(fā)電路62.2 系統(tǒng)總電路圖73電路仿真83.1觸發(fā)電路的仿真8Multisim仿真電路的建立8觸發(fā)電路的仿

5、真結(jié)果及分析93.2 直流降壓斬波電路的仿真及分析103.2.1 Multisim仿真電路的建立103.2.2 直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析103.3 升壓斬波電路仿真113.3.1 Multisim仿真電路的建立113.3.2 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析124總結(jié)與體會(huì)14參考文獻(xiàn)151 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)1.1 直流斬波電路原理1.1.1 直流降壓斬波電路 直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低于電源電壓，其原理電路如圖1-1 所示。在開(kāi)關(guān)器件V導(dǎo)通時(shí)，有電流經(jīng)電感L向負(fù)載供電，在V關(guān)斷時(shí)，電感L釋放儲(chǔ)能，維持負(fù)載電流，電流經(jīng)負(fù)載和二極管VD形 圖1-1 直流降壓斬波

6、電路原理圖成回路。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為：（1-1）式中T為V開(kāi)關(guān)周期,為導(dǎo)通時(shí)間，為占空比。Uo最大為E，減小a，Uo隨之減小降壓斬波電路。也稱為Buck變換器(Buck Converter)。負(fù)載電流平均值為： （1-2）電流斷續(xù)時(shí)，uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式:（l） 保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為PWM(Pulse Width Madula-tion)或脈沖調(diào)寬型。（2） 保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。（3）

7、和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1.2.2直流升壓斬波電路 直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖1-2所示。在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè) 圖1-2 直流升壓斬波電路原理圖得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為: （1-3）式中T為V開(kāi)關(guān)周期,為導(dǎo)通時(shí)間，為關(guān)斷時(shí)間。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L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升

8、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V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。1.2 主電路的設(shè)計(jì)1.2.1 直流降壓斬波電路直流降壓斬波主電路圖如圖1-3所示。圖1-3 直流降壓斬波主電路1.2.2 直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V，負(fù)載電阻R=10，試選L=2mH,T=50S,=25S。根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件： （1-4）=0.0002，=0.1，=0.05=0.

9、487>m （1-5）所有所選L符合要求，電流不斷續(xù)。全控型器件選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要參數(shù)如下：關(guān)斷頻率：f=1MHz =60ns （1-6）=550ns （1-7）=75A （1-8） （1-9） （1-10）2SK307的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。理論計(jì)算降壓后輸出結(jié)果： （1-11） （1-12）1.2.3 直流升壓斬波電路直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4所示。圖1-4 直流升壓斬波主電路1.2.4 直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)降升斬波電路中，直流升壓變壓器電源電壓E=50V，負(fù)載電阻R=10，試選L=2mH,T=40S,=20S。C=

10、30mF根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件： （1-13）其中+=1，經(jīng)計(jì)算可知所選元件參數(shù)符合要求，在此升壓斬波電路中電流不斷續(xù)。全控型器件同直流降壓斬波電路一樣選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，參數(shù)在此不在贅述。理論計(jì)算升壓后輸出結(jié)果： （1-14） （1-15）2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)2.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2.1.1 PWM控制芯片SG3525簡(jiǎn)介SG3525A系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進(jìn)為各種類型的開(kāi)關(guān)電源的控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準(zhǔn)電壓調(diào)定在±1，誤差放大器有一個(gè)輸入共模電壓范圍。它包括基準(zhǔn)電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器

11、了。一個(gè)到振蕩器的同步輸入可以使多個(gè)單元成為從電路或一個(gè)單元和外部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。在CT和放電腳之間用單個(gè)電阻器連接即可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動(dòng)電路，它只需要一個(gè)外部的定時(shí)電容器。一只斷路腳同時(shí)控制軟起動(dòng)電路和輸出級(jí)。只要用脈沖關(guān)斷，通過(guò)PWM（脈寬調(diào)制）鎖存器瞬時(shí)切斷和具有較長(zhǎng)關(guān)斷命令的軟起動(dòng)再循環(huán)。當(dāng)VCC低于標(biāo)稱值時(shí)欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動(dòng)電容器。輸出級(jí)是推挽式的可以提供超過(guò)200mA的源和漏電流。SG3525A系列的NOR（或非）邏輯在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)輸出為低。·工作范圍為8.0V到35V·5.1V±1.0調(diào)定的基準(zhǔn)電壓·

12、;100Hz到400KHz振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳2.1.2 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性（1）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護(hù)的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時(shí)又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。若輸入電壓低于6V時(shí)，可把15、16腳短接，這時(shí)5V電壓調(diào)整器不起作用。（2）振蕩器3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)RD來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，因此是重大改進(jìn)。這時(shí)3525A的振蕩頻率可表為： （2-1）（3）

13、SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 SG3525的引腳以及內(nèi)部框圖在直流降壓斬波電路中可以通過(guò)調(diào)節(jié)2腳接的電阻值改變輸出脈沖信號(hào)的占空比，根據(jù)求頻率f的公式計(jì)算出SG3525外接元件參數(shù)如下： （2-2） （2-3） （2-4）2.1.3 觸發(fā)電路MOS FET驅(qū)動(dòng)電路分類驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。MOS FET驅(qū)動(dòng)電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信

14、號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， MOS FET驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與MOS FET的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計(jì)的光耦驅(qū)動(dòng)電路是一種可靠的MOS FET驅(qū)動(dòng)方案。SG3525的光耦驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2所示。圖2-2 MOS FET觸發(fā)電路圖2.2 系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總的電路圖如圖2-3所示圖2-3 系統(tǒng)總電路圖3 電路仿真3.1 觸發(fā)電路的仿真3.1.1Multisim仿真電路的建立在Multisim中用元件PWMVM代替PWM控制芯片SG3525，PWMVM的外接電路如圖3-1所示，根據(jù)仿真電路圖原理通過(guò)改變R7的大

15、小可以改變脈沖占空比，改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即構(gòu)成脈沖寬度控制器，通過(guò)占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。圖3-1 觸發(fā)電路模擬仿真圖3.1.2 觸發(fā)電路的仿真結(jié)果及分析在Multisim中對(duì)觸發(fā)電路進(jìn)行仿真，根據(jù)PWMVM控制原理可知，當(dāng)R7=10K時(shí)，占空比為90%，仿真結(jié)果如圖3-2所示：當(dāng)R7=50K時(shí)，占空比為50%，仿真結(jié)果如圖3-3所示。圖3-2 R7=10K時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖圖3-3 R7=50K時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖3.2 直流降壓斬波電路的仿真及分析3.2.1 Multisim仿真電路的建立根據(jù)直流降壓變流器原理圖建立變流器的Multisim仿真模型如圖3-4所

16、示。圖3-4 降壓斬波電路模型在模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為50S和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=200V，輸出電壓=100V，電阻負(fù)載為10，電感L=2mH。用示波器觀察輸出波形和二極管兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。3.2.2 直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析 脈沖信號(hào)波形和輸出電壓波形如圖3-5，脈沖信號(hào)波形和二極管兩端的電壓波形如圖3-6。.圖3-5 輸出波形圖圖3-6 二極管電壓波形圖 由圖3-5分析可知觀察結(jié)果同理論值相符，誤差在允許范圍內(nèi)。所設(shè)參數(shù)滿足降壓要求但是

17、電壓的波動(dòng)很大。修改電感參數(shù)進(jìn)行多次仿真，可發(fā)現(xiàn)增大電感可以減少輸出電壓的脈動(dòng)，但電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間被延遲。由圖3-6分析可知二極管在MOS FET導(dǎo)通關(guān)斷此時(shí)電壓等于電源電壓E，在MOS FET關(guān)斷是導(dǎo)通起續(xù)流的作用此時(shí)電壓等于0。3.3 升壓斬波電路仿真3.3.1 Multisim仿真電路的建立根據(jù)直流升壓壓變流器原理圖建立變流器的Multisim仿真模型如圖3-7所示。圖3-7 升壓斬波電路模型在圖3-7升壓斬波電路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為40S和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=50V，

18、輸出電壓=100V，電阻負(fù)載為10，電感L=2mH，電容C=30mF。用示波器觀察輸出波形和二極管與電容兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。3.3.2 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析脈沖信號(hào)和輸出電壓波形如圖3-8和3-9所示，脈沖信號(hào)波形和二極管與電容兩端的波形如圖3-10所示。圖3-8 輸出電壓波形仿真開(kāi)始圖3-9 輸出電壓穩(wěn)定后波形圖3-10 二極管與電容兩端的電壓 由圖3-7與3-8分析可知示波器、電壓表、電流表所觀測(cè)的結(jié)果與理論值相符，誤差很小在允許范圍內(nèi)。由圖3-8可知電感越大輸出電壓越穩(wěn)定但是延遲時(shí)間越長(zhǎng)，由圖3-10可知二極管與電容兩端的電壓在MOS FET關(guān)斷時(shí)電壓等于電源電壓E，此時(shí)E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等4 總結(jié)與體會(huì)做