升壓-降壓-升降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　題目：MOSFET升降壓斬波電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是《電力電子技術(shù)》課程的一個重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它與理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相配合，可使我們在理論聯(lián)系實(shí)際，綜合分析，理論計(jì)算，歸納整理和實(shí)驗(yàn)研究方面得到綜合訓(xùn)練和提高，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。</p&g

2、t;<p>　　加深理解電力電子技術(shù)的課程內(nèi)容，建立正確的設(shè)計(jì)思想，熟悉工程設(shè)計(jì)的順序和方法，提高正確使用技術(shù)資料，標(biāo)準(zhǔn)，手冊等的獨(dú)立工作能力。</p><p>　　為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　二．設(shè)計(jì)的技術(shù)數(shù)據(jù)及要求</p><p>　　1、交流電源：單相220V；</p><p>　　2、前級整流輸

3、出輸電壓： Ud=50V～80V；</p><p>　　3、輸出功率：300W；</p><p>　　4、開關(guān)頻率5KHz；</p><p>　　5、占空比10%~90%；</p><p>　　6、輸出電壓脈率：小于10%。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 </p><p>　　一．方案

4、的論證及方案的選擇；</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　升降壓斬波電路圖原理圖：</p><p>　　升降壓斬波電路的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓值，這種電源具有一個相對于輸入電壓公共端為負(fù)極性的輸出電壓。升降壓電路可以靈活的改變電壓的高低，還可以改變電壓的極性，因此常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的設(shè)

5、備和各種開關(guān)穩(wěn)壓器。其原理圖即為降壓與升壓斬波電路串聯(lián)而成的。</p><p>　　一．MOSFET降壓斬波電路圖如下：</p><p>　　圖中L、R 為負(fù)載電機(jī)的等效電路，負(fù)載電壓的平均值為</p><p>　　，因此稱為降壓斬波電路。若負(fù)</p><p>　　載中L 值較少，或ton 較小，或E 

6、較小，則在可控器件V 關(guān)斷后，到了t2 時刻，負(fù)載電流已衰減至零會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。下圖中表明了電流連續(xù)和斷續(xù)時的波形情況。 </p><p>　　二．MOSFET降壓斬波電路圖如下：</p><p><b>　　假設(shè)L值、C值很大</b></p><p>　　MOSFET導(dǎo)通時，E向L充電，充電電流恒為I1

7、，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton</p><p>　　MOSFET關(guān)斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)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

8、>　　（3-20）</b></p><p><b>　　化簡得：</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。</p><p>　　三．將升壓斬波和降壓斬波電路串聯(lián)接成升降壓斬波電路</p>

9、<p>　　電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路及以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電路電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。 </p><p>　　根據(jù)MOSFET升降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動控制電路。其結(jié)構(gòu)框圖如下</p><p&

10、gt;<b>　　整流電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整流電路尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用最為廣泛的電路。不僅應(yīng)用于工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)裝置采用單相橋式全控整流電路（所接負(fù)載為純電阻負(fù)載）。</p><p>　　在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1 和 VT4 組成一對橋臂

11、，VT2 和 VT3 組 成另一對橋臂。在 u2 正半周（即 a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位） ，若 4 個晶閘管均不導(dǎo) 通，負(fù)載電流 id 為零，ud 也為零，VT1、VT4 串聯(lián)承受電壓 u2，設(shè) VT1 和 VT4 的漏電 阻相等，則各承受 u2 的一半。若在觸發(fā)角α處給 VT1 和 VT4 加觸發(fā)脈沖，VT1、 VT4 即導(dǎo)通，電流從 a 端經(jīng) VT1、R、VT4 流回電源 b 端。當(dāng) u2 為零時，流經(jīng)晶閘管 的電流也降到零，VT

12、1 和 VT4 關(guān)斷。</p><p>　　在 u2 負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角α處觸發(fā) VT2 和 VT3（VT2 和 VT3 的α=0 處為ω t=π） ，VT2 和 VT3 導(dǎo)通，電流從電源的 b 端流出，經(jīng) VT3、R、VT2 流回電源 a 端。 到 u2 過零時，電流又降為零，VT2 和 VT3 關(guān)

13、斷。此后又是 VT1 和 VT4 導(dǎo)通。如此循環(huán)工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。</p><p><b>　　整流電壓平均值為：</b></p><p>　　向負(fù)載輸出的直流電流平均值為：</p><p>　　流過晶閘管的電流平均值為：</p><p>　　題目中要求前級整流輸出電壓限制在5

14、0V~100V之間，輸入電壓U1為220V，則輸入電壓U2最大為 ，變壓器匝數(shù)比N1:N2= </p><p><b>　　整流電路波形圖</b></p><p><b>　　控制驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用

15、方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動功能；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。</p><p><b>　　其特點(diǎn)如下： </b></p><p>　?。?）工作電壓范圍寬：8—35V。 </p><p>　?。?）5.1（11.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。</p>

16、<p>　?。?）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz—400KHz. </p><p>　?。?）具有振蕩器外部同步功能。</p><p>　　（5）死區(qū)時間可調(diào)。</p><p>　　（6）內(nèi)置軟啟動電路。 </p><p>　?。?）具有輸入欠電壓鎖定功能。</p><p>　?。?）具有PWM瑣存功能，

17、禁止多脈沖。 </p><p>　?。?）逐個脈沖關(guān)斷。 </p><p>　?。?0）雙路輸出（灌電流/拉電流）：mA(峰值)。 </p><p>　　SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在

18、CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。</p><p>　　SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，直流電源 Vs 從腳 15 接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳 5 須外接電容 CT，腳 6須外接電阻 RT。振蕩器頻率由外接電阻RT 和電容CT決

19、定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送</p><p>　　到或非門的一個輸入端。其他引腳分別為：引腳1為反相輸入，2為同相輸入引腳，3為同步端引腳，4為振蕩器輸出引腳，7為放電端引

20、腳，8為軟啟動端引腳，9為補(bǔ)償引腳，10為閉鎖控制引腳，引腳12接地。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　在升降壓斬波電路中，三極管V的基極接驅(qū)動電路的V-G，發(fā)射極E接驅(qū)動電路的V-E，結(jié)點(diǎn)11、12、13、14為SG3525的相應(yīng)引腳。如圖</p><p><b>　　（3）觸發(fā)電路</b></p><p>　　斬波電路有三種控制方

21、式：</p><p>　　保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型：</p><p>　　保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；</p><p>　　導(dǎo)通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。</p><p>　　其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有很多。這里我使用的是

22、IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如下。</p><p>　　G3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IGBT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制電路和主電路進(jìn)行電氣隔離</p><p><b>　　升降壓斬波電路</b></p&

23、gt;<p><b>　　工作原理</b></p><p>　　當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量，此時電流為，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負(fù)載釋放，電流為，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，與降壓斬波電路和升壓斬波電路的情況正好相反，因此該電路也稱為反極性斬波電路。</p>&l

24、t;p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓UL對時間的積分為零，即</p><p>　　當(dāng)V處于通態(tài)期間，UL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，UL=-Uo。于是</p><p><b>　　所以輸出電壓為</b></p><p>　　改變占空比α，輸出不但電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0＜α＜1／2時為降壓，當(dāng)1／2＜α＜1時

25、為升壓，因此將該電路稱做升降壓斬波電路。</p><p>　　升降壓斬波電路原理圖</p><p><b>　　波形圖</b></p><p><b>　　輸出電壓</b></p><p>　　圖2.4給出了電源電路i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1、I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有&l

26、t;/p><p><b>　　由上式可得</b></p><p>　　如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則有</p><p>　　其輸出功率和輸入功率相等，可看做直流變壓器。</p><p><b>　　輸出電流波形圖</b></p><p><b>　　保護(hù)電路設(shè)計(jì)

27、</b></p><p>　　電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt也是必須的。</p><p>　　抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。</p><p>　　對于非線性元件，不是額定電壓小，使用

28、麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護(hù)。使用RC吸收電路，這種保護(hù)可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。保護(hù)電路如圖所示。</p><p>　　除此之外還有其他的保護(hù)裝置，如下：</p><p>　　一、防

29、止陽極電壓上升率過高保護(hù)</p><p>　　在保護(hù)電路中串聯(lián)接入適當(dāng)?shù)碾姼屑纯善鸬椒乐龟枠O電壓上升率過高的保護(hù)。</p><p>　　二、晶閘管的過電壓保護(hù)</p><p>　　晶閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶

30、閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護(hù)措施。</p><p>　　對于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)。</p><p>　　三、晶閘管的過電流保護(hù)</p><p>　　常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器保護(hù)，直流快速開關(guān)過電流保護(hù)。</p><p>　　快速熔斷器保護(hù)是最有效的保護(hù)措施；過

31、電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時間長（只有在短路電流不大時才有用）直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。</p><p>　　因此，最佳方案是用快速熔斷器保護(hù)。</p><p><b>　　快速熔斷器</b></p><p><b>　　1）前級整流電路</b></p><p&g

32、t;　　負(fù)載平均電壓 升高，紋波減小，且 C越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為得到平滑的負(fù)載電壓，一般取</p><p>　　= C (3~5) </p><p>　　式中T為電源交流電壓的周期。電容濾波電路的負(fù)載電壓 與 的關(guān)系約為 。</p><p>　　令整流后輸出電壓為50V，則整流前輸入電壓=/1.2=50/1.2=4

33、1.7V</p><p>　　因?yàn)殡娫礊榻涣鲉雾?xiàng)220V，變壓器變比需滿足：=220:41.7=4:1</p><p>　　此時前級整流輸出電壓E為50V。</p><p>　　并且為滿足輸出電流最大2A，整流電路中每個二極管所承受的最大電流為，=/2=1A。</p><p>　　變壓器二次側(cè)的電流2A，由變壓器變比為4:1，流過一次側(cè)的電流

34、為0.5A。</p><p><b>　?。?）輸出直流電壓</b></p><p>　　要求輸出直流電壓在10~100V可調(diào)，由輸出電壓公式可知，當(dāng)為10V時，占空比=1/6；當(dāng)為100V時，占空比=2/3。即控制占空比在1/6~2/3之間，可得輸出直流電壓在10~100V可調(diào)。</p><p>　　為使電路正常工作驅(qū)動電路中R1、R2為1K

35、，R3為5.1KΩ，R4為10KΩ，電位器R0為0~100KΩ，R5為10KΩ。</p><p>　　要求最大輸出電流為2A，故負(fù)載功率范圍為20~200W，流過VT二極管、V三極管的最大電流為2A。熔斷器的最大熔斷電流為2A。可選WICKMANN 181 2A陶瓷管保險絲。</p><p>　　（3）其他器件選擇 整流電路中二極管選擇為IN5232，驅(qū)動電路中二極管選擇為IN4148，驅(qū)