電力電子技術課程設計---升壓斬波電路設計

1、<p>　　電力電子技術課程設計報告</p><p>　　題目：升壓斬波（boost chopper）電路設計</p><p>　　學 院：信息工程學院</p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　學 號：</b></p>&l

2、t;p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p>　　2011年4月10號</p><p>　　升壓斬波電路（Boost Chopper）設計</p><p><b>　　摘要</b></p>&l

3、t;p>　　本設計是基于SG3525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

4、行控制參數輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，它可以通過BluePrint、Kicad 、Protel等軟件設計完成，其中Protel原理圖設計系統(tǒng)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，強大的編輯功能設計檢驗，與印制電路板設計系統(tǒng)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，輕松的交互性手動布線，簡便的封裝形式的編輯及組織，高智能的基于形狀的自定布線功能，萬無一

5、失的設計檢驗等印制電路板設計系統(tǒng)的優(yōu)點，使其在我們學生選用PCB電路板設計軟件中占了絕大部分比重。本設計也采用Protel設計原理圖，和進</p><p>　　關鍵字 升壓斬波; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1概述…………………………………………………

6、………3</p><p>　　2課程設計任務及要求………………………………………3</p><p>　　2.1設計任務……………………………………………………3</p><p>　　2.1設計要求……………………………………………………3</p><p>　　3設計理論……………………………………………………4</p><

7、p>　　3.1 升壓斬波工作原理…………………………………………4</p><p>　　3.2驅動電路選擇………………………………………………5</p><p>　　4仿真設計MATlAB…………………………………………6 </p><p>　　4.1 仿真模型…………………………………………………6</p><p>　　4.2 仿真實

8、驗結果及分析……………………………………7</p><p>　　4.3 仿真實驗結論……………………………………………9</p><p>　　5仿真實驗結論……………………………………………10</p><p>　　6參考文獻…………………………………………………10</p><p><b>　　1概述</b></

9、p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、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用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(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

10、傳輸與變換、有源濾波等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(tǒng)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。</p><p>　　2課程設計任務及要求</p><p><b>　　2.1設計任務：</b></p><p>　　理論設計：了解掌握Boost Choppe

11、r電路的工作原理，設計Boost Chopper電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流、電壓額定的選擇；驅動、保護電路的設計；畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖</p><p>　　仿真實驗：利用Matlab仿真軟件對Boost Chopper電路主電路和控制電路進行仿真建模，并進行仿真實驗。</p><p><b>　　2.2設計要求</b></p&g

12、t;<p>　　對Boosr Chopper電路的主電路和控制電路進行設計。分兩組參數，每組參數如下：</p><p>　　直流電壓E=50V，負載中R=20Ω，L、C值極大， =30V。</p><p>　　直流電壓E=200V，負載中R=20Ω，L、C值極大。</p><p><b>　　3設計理論</b></p>

13、<p>　　3.1 升壓斬波工作原理</p><p><b>　　主電路工作原理</b></p><p>　　假設L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值,記為Uo。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton</p><p>　　V斷時，E和L共同向

14、C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p><b>　　化簡得：</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost chooper變換器。</p><p>　　——升壓比，

15、調節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數記作β，即。?</p><p>　　和導通占空比，有如下關系：</p><p><b>　　因此，可表示為</b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：</p><p>　　① L儲能之后具有使電壓泵升的作用</p><p>　?、?電

16、容C可將輸出電壓保持住</p><p>　　3.2驅動電路選擇 IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電

17、路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據上述分析，對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：</p><p>　　(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。</p><p>　　(2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關

18、損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　(3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。</p><p>　　(4)IGBT 驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率

19、增大，使IGBT 誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。</p><p>　　(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當的防靜電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。</p><p>　　IGBT驅動電

20、路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。</p><p>　　IGBT驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結構和存儲器件)，數字信號處理器以其優(yōu)越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數字信號處理器構成的控制系統(tǒng)， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與I

21、GBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。</p><p>　　4仿真設計MATlAB</p><p>　　物理仿真需要進行大量的設備制造、安裝、連接及調試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數難、模型難以重用，且實驗數據處理也不方便。但是計算機仿真卻可以很好的解決這個問題。只要有一臺計算機就可以對不同的控制系統(tǒng)進行仿

22、真和研究，而且進行一次仿真實驗研究的準備工作也比較簡單，主要是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計算機編程。本系統(tǒng)采用Matlab自帶的動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink進行仿真。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散、及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。它為用戶提供了一個圖形化得用戶界面（GUI）。它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真相比具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。</p><

23、p><b>　　4.1 仿真模型</b></p><p>　　Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所設計的文件。它具有功能強大，而且包含了常用的大部分元器件仿真數學模型，形象易懂，便于設計。</p><p>　　該設計的仿真模型如圖1所示：</p><p>　　simulink 仿真模型圖</p><p>

24、　　simulink 仿真模型圖中DC voltage source 是電壓源，提供50V點直流電壓。L為電感。Diode為電力二極管，單項導通，阻止電流反向流動。C為電容。IGBT為斬波器件，R為負載。Current Measurement1 用來測量流經L的電流。Current Measurement2用來測量負載電流。Current Measurement3用來測量流經電容C的電流。current 為流經IGBT的電流，IGBT

25、voltage 為IGBT兩段的電壓。Scope為示波器。Pulse Generator為PWM脈沖發(fā)生器，調節(jié)其占空比就可以控制輸出電壓的大小。</p><p>　　4.2 仿真實驗結果及分析</p><p>　?、?周期設為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負載為100時進行仿真，仿真結果如下：</p><p>　　圖2-0-1 負

26、載電壓98.2V</p><p>　　圖2-0-2 流經電感L的電流值為0.982A</p><p>　　由圖2-0-1中V1可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即</p><p><b>　?。╒） </b></p><p>　　滿足理論計算公式（ 1-4 ），由仿真結果知，原理圖設計是對的。<

27、/p><p>　?、?負載不變?yōu)?00，頻率1KHz，占空比變化時，輸出電壓，與輸入電壓和電路參數之間的關系。</p><p><b>　　占空比55%</b></p><p>　　圖2-6-1 負載電壓109.1V</p><p>　　圖2-6-2 流經電感L的電流值為1.09A</p><p>

28、;　　從圖2-6-1負載電壓可以看出負載電壓約為109.1V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒） </b></p><p><b>　　占空比為95%</b></p><p>　　圖2-10-1 負載電壓942V</p><p>　　圖2-10-2 流經電感L的電流值為9.4

29、2A</p><p>　　從圖2-10-1負載電壓可以看出負載電壓約為942V，基本上符合理論計算：</p><p><b>　?。╒）</b></p><p>　　4.3 仿真實驗結論</p><p>　　由圖（圖2-0），在占空比為50%時，輸出電壓可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即</p&

30、gt;<p>　　滿足理論計算公式 （ 1-4 ），由仿真結果知，該原理圖設計是對的。</p><p><b>　　5仿真實驗結論</b></p><p>　　現在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉換成其他的信號等等。我們的日常生活已經離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質和用

31、電效率成為了全球研究的當務之急。而《電力電子技術》正是與這一主題相關聯的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開關電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實現計算機控制。</p><p>　　在做課程設計的這段時間里，通過不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解。并且在matlab中仿真實現了。</p><p>　　在做課程設計過程中，我對matlab在仿真中的應用有了

32、進一步的了解和掌握。Matlab在電力電子方面的仿真應用時，可以將電力電子電路輸出效果圖形化，形象直觀，可以幫助我們對電路的理解。通過仿真實驗和對仿真實驗得到的輸出波形的分析可知，在直流生涯斬波電路中電感電容的對其負載電壓的影響。雖然理想的電感電容值為無窮大，但這在現實設計中是不可能實現的。如選取電感電容值極大這必將和減小成本成為矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也將和Boost啟動時調節(jié)時間成為矛盾。所以在設計時要綜合考慮多方面的因素來

33、選取合適的電感電容值！</p><p>　　經過這次課程設計，我認識到自己還有很多東西需要進一步加強學習，而且要把理論聯系實踐來學習，不僅要懂理論知識，還要懂如何作出實踐。</p><p><b>　　6參考文獻</b></p><p>　　【1】《電力電子技術》西安： 王兆安 黃俊 機械工業(yè)出版社</p><p>　　

34、【2】《電力電子設備設計和應用技術手冊》北京：機械工業(yè)出版社</p><p>　　【3】《電力電子技術基礎》北京：林渭勛 機械工業(yè)出版社</p><p>　　【4】《 電力電子器件基礎》北京：陳治明 機械工業(yè)出版社</p><p>　　【5】《現代電力電子技術》北京：張立，趙永健 科學出版社</p><p>　　【7】《電力電子技術手