電力電子課程設計---直流斬波電路

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課題名稱： 直流斬波電路的設計</p><p><b>　　專業(yè)名稱： </b></p><p><b>　　學生班級： </b></p><p><b>　　學生姓名：</b>&l

2、t;/p><p><b>　　學生學號：</b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　電力電子技術課程設計任務書</p><p>　　系：電氣與信息工程系 年級：08級 專業(yè)：自動化 </p>&l

3、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調的直流電，也稱為直流-直流變換器（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，Ze

4、ta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調制方式（ton不變，改變Ts）。本設計是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設計分為Multisim仿真和Protel兩大部分構成。Multisim主要是仿真分析，借助其強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，通過設置參數分析輸出與電路參數和控制量的關系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結果

5、。第二部分是硬件電路設計，它通過Protel等軟件設計完成。</p><p>　　關鍵字：直流斬波；PWM；SG3525</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 直流斬波主電路的設計1</p><p>　　1.1直流斬波電路原理1</p><p>　　1.1.1

6、直流降壓斬波電路1</p><p>　　1.2.2直流升壓斬波電路2</p><p>　　1.2主電路的設計3</p><p>　　1.2.1直流降壓斬波電路3</p><p>　　1.2.2直流降壓斬波電路參數計數3</p><p>　　1.2.3直流升壓斬波電路4</p>&l

7、t;p>　　1.2.4直流升壓斬波參數計算4</p><p>　　2觸發(fā)電路設計5</p><p>　　2.1控制及驅動電路設計5</p><p>　　2.1.1PWM控制芯片SG3525簡介5</p><p>　　2.1.2SG3525內部結構及工作特性5</p><p>　　2.1.3觸

8、發(fā)電路6</p><p>　　2.2 系統總電路圖7</p><p><b>　　3電路仿真8</b></p><p>　　3.1觸發(fā)電路的仿真8</p><p>　　3.1.1Multisim仿真電路的建立8</p><p>　　3.1.2觸發(fā)電路的仿真結果及分析9<

9、;/p><p>　　3.2 直流降壓斬波電路的仿真及分析10</p><p>　　3.2.1 Multisim仿真電路的建立10</p><p>　　3.2.2 直流降壓斬波電路仿真結果及分析10</p><p>　　3.3 升壓斬波電路仿真11</p><p>　　3.3.1 Multisim仿真

10、電路的建立11</p><p>　　3.3.2 直流升壓斬波電路仿真結果及分析12</p><p>　　4總結與體會14</p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p>　　1 直流斬波主電路的設計</p><p><b>　　直流斬波電路原理</b

11、></p><p><b>　　直流降壓斬波電路</b></p><p>　　直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負載側電壓低于電源電壓，其原理電路如圖1-1 所示。</p><p>　　在開關器件V導通時，</p><p>　　有電流經電感L向負載供電，在V</p><p>　　關斷時

12、，電感L釋放儲能，維持負</p><p>　　載電流，電流經負載和二極管VD形 圖1-1 直流降壓斬波電路原理圖</p><p>　　成回路。調節(jié)開關器件V的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均值為：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　式中T

13、為V開關周期,為導通時間，為占空比。</p><p>　　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)。</p><p><b>　　負載電流平均值為：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　電流斷續(xù)時

14、，uo平均值會被抬高，一般不希望出現。</p><p>　　根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式:</p><p>　?。╨） 保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間，稱為PWM(Pulse Width Madula-tion)或脈沖調寬型。</p><p>　?。?） 保持開關導通時間不變，改變開關周期T,稱為頻率調制或調頻型。</

15、p><p>　　（3） 和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。</p><p>　　1.2.2直流升壓斬波電路</p><p>　　直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖1-2所示。</p><p>　　在電路中V導通時，電流</p><p>　　由E經升壓電感L和V形成回路，</p>&l

16、t;p>　　電感L儲能；當V關斷時，電</p><p>　　感產生的反電動勢和直流電源電壓</p><p>　　方向相同互相疊加，從而在負載側 圖1-2 直流升壓斬波電路原理圖</p><p>　　得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導通是，電容的放電回路。調節(jié)開關器件V的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均

17、值為: </p><p><b>　　（1-3）</b></p><p>　　式中T為V開關周期,為導通時間，為關斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因:一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放

18、電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　主電路的設計</b></p><p><b>　　直流降壓斬波電路</b></p><p>　　直流降壓斬波主電路圖如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-

19、3 直流降壓斬波主電路</p><p>　　直流降壓斬波電路參數計數</p><p>　　設計降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V，負載電阻R=10Ω，試選L=2mH,T=50μS,=25μS。根據判斷電流斷續(xù)的條件：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　=0.0002，=0

20、.1，=0.05</p><p>　　=0.487>m （1-5）</p><p>　　所有所選L符合要求，電流不斷續(xù)。</p><p>　　全控型器件選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要參數如下：</p><p>　　關斷頻率：f=1MHz </p>

21、<p>　　=60ns （1-6）</p><p>　　=550ns （1-7）</p><p>　　=75A

22、 （1-8）</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　2SK307的參數符合設計要求。</p><p>　　理論計算降壓后輸出結

23、果：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　直流升壓斬波電路</b></p><p>　　直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 直

24、流升壓斬波主電路</p><p>　　直流升壓斬波參數計算</p><p>　　設計降升斬波電路中，直流升壓變壓器電源電壓E=50V，負載電阻R=10Ω，試選L=2mH,T=40μS,=20μS。C=30mF根據判斷電流斷續(xù)的條件：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　其中α+β=1，經

25、計算可知所選元件參數符合要求，在此升壓斬波電路中電流不斷續(xù)。</p><p>　　全控型器件同直流降壓斬波電路一樣選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，參數在此不在贅述。</p><p>　　理論計算升壓后輸出結果：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>&l

26、t;b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　觸發(fā)電路設計</b></p><p><b>　　控制及驅動電路設計</b></p><p>　　PWM控制芯片SG3525簡介</p><p>　　SG3525A系列脈寬調制器控制電路可以改進為各種類型的開關電源的控制

27、性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準電壓調定在±1％，誤差放大器有一個輸入共模電壓范圍。它包括基準電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一個單元和外部系統時鐘同步。在CT和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區(qū)時間進行大范圍的編程。在這些器件內部還有軟起動電路，它只需要一個外部的定時電容器。一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級。只要用脈沖關斷，通過PWM（脈寬調制）鎖存

28、器瞬時切斷和具有較長關斷命令的軟起動再循環(huán)。當VCC低于標稱值時欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動電容器。輸出級是推挽式的可以提供超過200mA的源和漏電流。SG3525A系列的NOR（或非）邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。</p><p>　　·工作范圍為8.0V到35V</p><p>　　·5.1V±1.0％調定的基準電壓</p><p>

29、　　·100Hz到400KHz振蕩器頻率</p><p>　　·分立的振蕩器同步腳</p><p>　　SG3525內部結構及工作特性</p><p>　?。?）基準電壓調整器</p><p>　　基準電壓調整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護的電壓調整器。它供電給所有內部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸

30、入電壓低于6V時，可把15、16腳短接，這時5V電壓調整器不起作用。</p><p><b>　?。?）振蕩器</b></p><p>　　3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內部恒流值對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，有利于通過RD來調節(jié)死區(qū)的時間，因此是重大改進。這時3525A

31、的振蕩頻率可表為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　（3）SG3525的內部結構</p><p>　　SG3525的內部結構如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 SG3525的引腳以及內部框圖</p><p>　　在直流降壓斬波電路中可以通過調節(jié)2腳接

32、的電阻值改變輸出脈沖信號的占空比，根據求頻率f的公式計算出SG3525外接元件參數如下：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　觸發(fā)電

33、路</b></p><p>　　MOS FET驅動電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>　　MOS FET驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統結構和存儲器件)，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

34、構成的控制系統， MOS FET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MOS FET的接口電路的設計直接影響到系統工作的可靠性。因此本文采用SG3525設計的光耦驅動電路是一種可靠的MOS FET驅動方案。SG3525的光耦驅動電路如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 MOS FET觸發(fā)電路圖</p><p>　　2.2 系統總電路圖</p>

35、;<p>　　系統總的電路圖如圖2-3所示</p><p>　　圖2-3 系統總電路圖</p><p><b>　　電路仿真</b></p><p><b>　　觸發(fā)電路的仿真</b></p><p>　　3.1.1Multisim仿真電路的建立</p><p&g

36、t;　　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，根據仿真電路圖原理通過改變R7的大小可以改變脈沖占空比，改變脈沖的占空比就是對脈沖的寬度進行調制，即構成脈沖寬度控制器，通過占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。</p><p>　　圖3-1 觸發(fā)電路模擬仿真圖</p><p>　　觸發(fā)電路的仿真結果及分析</p>

37、<p>　　在Multisim中對觸發(fā)電路進行仿真，根據PWMVM控制原理可知，當R7=10KΩ時，占空比為90%，仿真結果如圖3-2所示：當R7=50KΩ時，占空比為50%，仿真結果如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-2 R7=10KΩ時觸發(fā)脈沖波形圖</p><p>　　圖3-3 R7=50KΩ時觸發(fā)脈沖波形圖</p><p>　　3.2 直流

38、降壓斬波電路的仿真及分析</p><p>　　3.2.1 Multisim仿真電路的建立</p><p>　　根據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所示。</p><p>　　圖3-4 降壓斬波電路模型</p><p>　　在模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅動信號由脈沖發(fā)生器產生，設定脈沖發(fā)生器的

39、脈沖周期為50μS和脈沖寬度可以調節(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，電阻負載為10Ω，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輸出電壓和負載電流。</p><p>　　3.2.2 直流降壓斬波電路仿真結果及分析</p><p>　　脈沖信號波形和輸出電壓波形如圖3-5，脈沖信號波形和二極管兩端的電壓波形如圖3-

40、6。.</p><p>　　圖3-5 輸出波形圖</p><p>　　圖3-6 二極管電壓波形圖</p><p>　　由圖3-5分析可知觀察結果同理論值相符，誤差在允許范圍內。所設參數滿足降壓要求但是電壓的波動很大。修改電感參數進行多次仿真，可發(fā)現增大電感可以減少輸出電壓的脈動，但電壓達到穩(wěn)定的時間被延遲。由圖3-6分析可知二極管在MOS FET導通關斷此時電壓等于

41、電源電壓E，在MOS FET關斷是導通起續(xù)流的作用此時電壓等于0。</p><p>　　3.3 升壓斬波電路仿真</p><p>　　3.3.1 Multisim仿真電路的建立</p><p>　　根據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。</p><p>　　圖3-7 升壓斬波電路模型</p>

42、<p>　　在圖3-7升壓斬波電路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅動信號由脈沖發(fā)生器產生，設定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為40μS和脈沖寬度可以調節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=50V，輸出電壓=100V，電阻負載為10Ω，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輸出電壓和負載電流。</p><p>　　3.3.2

43、直流升壓斬波電路仿真結果及分析</p><p>　　脈沖信號和輸出電壓波形如圖3-8和3-9所示，脈沖信號波形和二極管與電容兩端的波形如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-8 輸出電壓波形仿真開始</p><p>　　圖3-9 輸出電壓穩(wěn)定后波形</p><p>　　圖3-10 二極管與電容兩端的電壓</p><p

44、>　　由圖3-7與3-8分析可知示波器、電壓表、電流表所觀測的結果與理論值相符，誤差很小在允許范圍內。由圖3-8可知電感越大輸出電壓越穩(wěn)定但是延遲時間越長，由圖3-10可知二極管與電容兩端的電壓在MOS FET關斷時電壓等于電源電壓E，此時E和L共同向電容C充電并向負載R提供能量，當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等。</p><p><b>　　總結與體會</b

45、></p><p>　　做過很多次各科的課程設計了，但是這次的課程設計給我的印象最深。通過這次的課程設計，我發(fā)現了電力電子技術的重要性，它里面的器件如MOS FET 之類的還可以對我們實際的電路起到提高效率和保護作用，可以通過控制它的觸發(fā)脈沖來實現它的關斷，這都是非常常見但是卻非常有實際意義的。課程設計并沒有想象中的那么順利，其間我也遇到了很多的困難，但是在大家的討論和老師的幫助下我們還是完成了，這讓我意識

46、到只要我們努力了，就沒有攻不過的難關，而且，對于電力電子技術的思考，讓我的邏輯思維能力大大提高，思維更加敏捷。同時讓我培養(yǎng)了一種透過部分聯系全篇的思路，鍛煉了我辦事的能力，做事效率提高了很多。</p><p>　　一次次小小的課題設計，也可以折射到一次對人生的規(guī)劃，課題的設計是我人生設計的一部分，為我人生的規(guī)劃埋下了美好的種子。我非常珍惜這次取得的成績，我喜歡這種具有挑戰(zhàn)性的課題設計。</p>&l

47、t;p>　　這次的課題設計，我獲益頗多，不僅讓我了解了電力電子器件的功能，更精進了我對器件的理解和運用，讓我深深喜歡上了這門學科。設計雖然是辛苦的，但是獲得的比我付出的更多。</p><p>　　在此也感謝老師對我們的指導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M] 第五