電力電子升壓斬波電路課程設(shè)計(jì)(DOC)

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2\o"CurrentDocument"1.主電路設(shè)計(jì) 3\o"CurrentDocument"1.1MOSFET升壓斬波電路原理圖 3\o"CurrentDocument"1.2MOSFET升壓斬波電路工作原理 3\o"CurrentDocument"MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定 5\o"CurrentDocument"MOSFET升壓斬波電路典型波形 6\o"CurrentDocument"晶閘管的觸發(fā)電路 6\o"CurrentDocument"驅(qū)動(dòng)電路 8\o"CurrentDocument"升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"控制電路設(shè)計(jì) 10控制電路原理圖 10控制電路工作原理 10\o"CurrentDocument"仿真結(jié)果 12\o"CurrentDocument"心得體會(huì) 14\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 15摘要直流直流升壓電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開(kāi)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)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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。早期的直流裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計(jì)又提供了一種選擇。晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又可稱(chēng)做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡(jiǎn)單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。直流斬波電路的種類(lèi)較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路。本文著重解決用MOSFET作開(kāi)關(guān)的升壓斬波電路。1.主電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)MOSFET升壓斬波電路（純電阻負(fù)載）設(shè)計(jì)要求：1） 輸入直流電壓：Ud=50V；2） 輸出功率： 300W；3） 開(kāi)關(guān)頻率： 5KHz；4） 占空比： 10%-50%；5） 輸出電壓脈動(dòng)率：小于10%。1.1MOSFET升壓斬波電路原理圖MOSFET升壓斬波電路原理圖如圖1所示,+_r;h1'1止QI C==兒fl圖1 MOSFET升壓斬波主電路原理圖1.2MOSFET升壓斬波電路工作原理在控制開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間t,電流從電源正極流出，經(jīng)過(guò)電感從開(kāi)關(guān)流回電源on負(fù)極。電容C向R供電，輸出電壓U上正下負(fù)。電源電壓U全部加到電感兩端o iuU，在該電壓作用下，電感電流i線性增長(zhǎng)。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量Li L為：tU UUAi=Jon_idt=it=ipT 1-1L+oL LonL在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間t，i經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負(fù)右正，offL認(rèn)為電感很大，i不變。這樣，電源和電感同時(shí)給電容C和負(fù)載R供電，負(fù)載兩L端電壓仍是上正下負(fù)。電感電壓u二U-U<0，電感電流i線性減小。在關(guān)斷TOC\o"1-5"\h\zLio L時(shí)間t內(nèi)，電感電流減小量的絕對(duì)值為：off人.fTU-UU-U/\o"CurrentDocument"Ai=JTo i-dt=o i\1—p）T 1-2l- tL Lton當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流i波形必然周期性重復(fù)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間電感L電流i的增量等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感電流i的減少量，即Ai=Ai。L L L+ L—聯(lián)立可得輸出電壓1U=U 1-3o1-pi由上式可知，p是一個(gè)小于1的數(shù)，故輸出電壓比輸入電壓大。從能量守恒角度分析（假設(shè)電感足夠大，電流平直），電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間吸收的能量（UIt）與開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（（U—U）It）相等。列出等式：ionoioffUIt=(U—U)It1-4ion o ioff解得,1U=U 1-50 1—pi下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在T時(shí)刻電感電流i剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此L時(shí)Ai=2iL升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為：TOC\o"1-5"\h\zP=UI 1-6i iLP=UI 1-7ooo忽略損耗，有P=P，于是，io

1-8得臨界電感值為,確定電容的計(jì)算1-8得臨界電感值為,確定電容的計(jì)算RLc=2P（1—P）2T1-91-10電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開(kāi)通期間吸收的電荷相等，1-10AQ二IpTo則電壓變化量則AU可決定脈動(dòng)率。oAU則電壓變化量則AU可決定脈動(dòng)率。oAUoAQUPT o RC1-11UPT oRAUo1-121.3MOSFET升壓斬波電路元器件選擇、參數(shù)確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為50V的直流電壓源;選取降壓斬波電路的占空比為50%;U2輸出功率P=+則輸出電壓U0二100VU2輸出功率P=+，要求輸出功率為300W，可計(jì)算出負(fù)載電阻R=33.30;電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成MOSFET功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。R計(jì)算L:由式L=—p(1—p)2T，周期T可由開(kāi)關(guān)頻率5KHz得出為2x10-4s，C C2把U、p、P代入上式得出L二0.4x10-3H。o o c當(dāng)L>L時(shí)，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時(shí)，電感電流越平直。取CL=0.4x10-3H。計(jì)算C:由式C二佯，要求脈動(dòng)率v10%，取10%;RAUo計(jì)算AU二Uox10%二10V;代入上式計(jì)算出C=3x10-5F，濾波電容越大，輸出電壓越平直。1.4MOSFET升壓斬波電路典型波形MOSFET主電路典型波形如圖2所示，dk1jbh1r圖2MOSFET主電路典型波形1.5晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：1、 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）2、 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度3、 不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)4、 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離

圖3理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間圖3理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間（vls）t1~t3強(qiáng)脈寬度）IM?強(qiáng)脈沖幅值（3IGT?5IGT）t1~t4脈沖寬度）I?脈沖平頂幅值（1.5IGT?2IGT）圖4晶閘管觸發(fā)電路Vl、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)Vl、V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門(mén)極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了Vl、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其

儲(chǔ)存的能量而設(shè)1?6驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路一一主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離光隔離一般采用光耦合器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖5電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路圖5中是一種采用光耦合隔離的由V2、V3組成的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控制脈沖使光耦關(guān)斷時(shí)，光耦輸出低電平，使V2截至，V3導(dǎo)通，MOSFET在DZ1反偏作用下關(guān)斷。當(dāng)控制脈沖使光耦導(dǎo)通時(shí)，光耦輸出高電平，使V2導(dǎo)通，V3截至，經(jīng)VCC、V2、RG產(chǎn)生的.正向驅(qū)動(dòng)電壓使MOS管開(kāi)通。電源+VCC可由DC/DC芯片提供。電力MOSFE的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。在升壓斬波電路中，主電路和控制電路共地，所以驅(qū)動(dòng)不用隔離。在降壓斬波電路中則需要在控制電路和主電路之間加隔離。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，在加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。為了得到最佳的波形，在調(diào)試的過(guò)程中對(duì)光耦兩端的電阻進(jìn)行合理的搭配。1?7升壓斬波電路的主電路設(shè)計(jì)圖6升壓斬波電路的主電路

2?控制電路設(shè)計(jì)2?1控制電路原理圖+：L54L5C-~i-i—J■+516> 1(35CT^■VhTr-13A1IMJ114RTuse4-5■71EUSCUUTjl?9COMPrOUTE：li4CsIC3D]E1<2+V%>■IIII8CSSD-II§?JD-IC>L?]E；SGS525E■i圖7控制電路原理圖2?2控制電路工作原理應(yīng)和他入應(yīng)和他入I-問(wèn)柿笳入匚畤瑞匚123lbiFiId-_4KiCF：5KT11I7IUl報(bào)⑴淵匚SffVrefVtA.Emc抱EH閉詵腔制圖8SG3525的引腳1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(hào)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=l/CT(0.7RT+3R0),RO為5腳與7腳之間跨接的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001?0.1口F；6腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，RT值為2?150kQ；7腳:振蕩器放電端，用外接電阻來(lái)控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0?500Q；8腳:軟啟動(dòng)端，外接軟啟動(dòng)電容,該電容由內(nèi)部Vref的50uA恒流源充電；9腳：誤差放大器的輸出端；10腳：PWM信號(hào)封鎖端，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)；11腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；12腳：接地；13腳：輸出集電極電壓；14腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；15腳：電源，其范圍為8?35V；16腳：內(nèi)部+5V基準(zhǔn)電壓輸出控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)占空比a的調(diào)節(jié)，達(dá)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(hù)功能。被實(shí)驗(yàn)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端和放電端間串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外此外，其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。3?仿真結(jié)果圖9輸入信號(hào)參數(shù)圖圖10仿真波形圖根據(jù)圖10,我們可以很容易得出幾個(gè)參數(shù),第一，可以讀出輸出電流值I沁3.0A。0第二，可以讀出輸出電壓值U沁100V。04.心得體會(huì)回顧此次電力電子課程設(shè)計(jì)，我感慨很多。從理論到實(shí)踐，我遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力。剛開(kāi)始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，于是我去圖書(shū)館以及網(wǎng)站找了很多資料，學(xué)習(xí)了很多課本上沒(méi)有的東西，感覺(jué)特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。電力電子課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)一周的時(shí)間完成了。雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)題目比較簡(jiǎn)單，但通過(guò)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作，使我接觸了很多新的知識(shí)，也讓我對(duì)這門(mén)課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。我會(huì)以這次課程設(shè)計(jì)作為對(duì)自己的激勵(lì)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)《電力電子技術(shù)》的大部分內(nèi)容，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到了諸多問(wèn)題，這主要是自己所學(xué)知識(shí)的不牢固和欠缺造成的。通過(guò)再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請(qǐng)教終于把一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題解決掉。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我不僅進(jìn)一步鞏固了這門(mén)課程的知識(shí)還通過(guò)親自操作，熟悉了MATLAB等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習(xí)工作提供了便利。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我