电力电子设计与实践报告.docx
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1、 电力电子设计与实践报告题 目:升压斩波电路设计专 业: 自动化 姓 名: 陈璐 学 号: 2014550109 班 级: 14级自动化1班 指导老师: 邓文浪老师 完成日期: 2016年11月10日 目录“电力电子设计与实践”设计任务书1一 、设计任务及要求21.1设计任务21.2设计要求21.3设计原理2二、DC-DC变换器简介32.1拓扑32.2工作原理32.3功能介绍42.4应用介绍4三、设计方案53.1主电路设计方案53.2控制电路设计方案53.3驱动电路设计方案73.4电路设计图7四、软硬件设计94.1硬件设计94.1.1功率器件参数计算及选型94.1.2 电路中其他元器件参数计算
2、及选型94.2软件设计10五、仿真建模125.1仿真模型搭建125.2模块参数设计125.3仿真波形及分析155.4仿真中遇到的问题及解决方案16六、实验装置制作及调试176.1实验装置制作176.1.1主电路的制作176.1.2控制电路的制作176.1.3驱动电路的制作176.1.4实物制作图176.2电路检验及调试196.2.1线路检查196.2.2上电检验及调试19七、实验结果及其分析22八、附录24附录一:元器件明细表24九、总结体会25参考文献26“电力电子设计与实践”设计任务书升压斩波电路(Boost Chopper)设计一、设计目的 1综合运用所学知识,进行升压斩波电路和系统设计
3、。通过对升压斩波电路的设计,掌握升压斩波电路的工作原理。 2了解与熟悉升压斩波电路拓扑、控制方法。3理解和掌握升压斩波电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法,掌握元器件的计算选择方法。4 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。二、设计内容及要求1设计内容及参数进行升压斩波电路和系统设计。设计条件和参数如下:在输入给定电压Ui=12V的情况下通过斩波电路控制输出电压为18V,电流连续,输出电流为I=0.6A。2设计要求(1) 理论设计:了解掌握升压斩波电路电路的工作原理,设计斩波电路电路系统。包括:主电路、控制电路、参数计算及元器件选型;功率器件驱动电路、保护电路的设计;画出完
4、整的主电路原理图和控制电路原理图;列出主电路所用元器件的明细表。(2)仿真实验:利用MATLAB仿真软件对升压斩波电路系统进行仿真建模,并进行仿真实验。(3)实际制作:利用PROTEL软件绘出原理图,结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素,设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。一 、设计任务及要求1.1设计任务设计一个升压斩波电路,在输入给定电压Ui=12V的情况下通过斩波电路控制输出电压为18V,电流连续,输出电流为0.6A。1.2设计要求(1)理论设计:了解掌握升压斩波电路电路的工作原理,设计斩波电路电路系统。包括:主电路、控制电路、参数计算及元器件选型;
5、功率器件驱动电路、保护电路的设计;画出完整的主电路原理图和控制电路原理图;列出主电路所用元器件的明细表。(2)仿真实验:利用MATLAB仿真软件对升压斩波电路系统进行仿真建模,并进行仿真实验。(3)实际制作:利用PROTEL软件绘出原理图,结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素,设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。1.3设计原理电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断,来完成整个系统
6、的功能。本设计是用控制电路来产生MOSFET升压斩波电路的控制信号,控制电路产生的控制信号传到驱动电路,驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间,可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET升压斩波电路工作。二、DC-DC变换器简介2.1拓扑图2-1升压斩波电路原理图图中所示为DC-DC变换器中的升压斩波电路,假设L和C值很大。V(MOSFET)处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量,从而在负载侧得到高于电源的电压。二极管的作用是阻断MO
7、SFET导通时,电容的放电回路。2.2工作原理DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上属于斩波电路。而本次设计要做的为升压斩波电路。所以重点介绍升压斩波电路。升压斩波电路
8、的工作原理如下:首先假设电路中的电感L值和电容C值非常大。当开关器件V处于导通状态时,支相当于短路,电源E向电感L充电,电感相当于一个电阻,所以充电电流基本恒定为I。同时电容C上的电压向负载R供电,因C值很大,C上电压基本保持恒定,所以输出电压Uo也基本保持为恒定值。假设V处于导通状态的时间为Ton,则在此时间内,电感L上积蓄的能量为。当开关器件V处于断开状态时,支路相当于断路。电源E和积蓄一定能量的电感L共同向电容C充电,同时向负载R提供能量。假设V处于断开的时间为Tof,则在此时间内电感L释放的能量为。由于能量守恒,当电路工作在稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即 (1
9、-1) 因T/TOF1, 故U0Ud,即通过调节开关频率可以实现升压的要求。升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因:L储能之后具有使电压泵升的作用。电容C可将输出电压保持住。如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载R消耗,与降压斩波电路一样,升压斩波电路可看作直流变压器。2.3功能介绍DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效
10、地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。而升压斩波是输出电压大于输入电压的直流斩波电路。2.4应用介绍直流-直流变换器(DC/DC)变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域,涉及到国民经济的各行各业。这里主要介绍升压斩波电路的典型应用:(1)用于直流电动机传动:通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源,实际电路中电感L值不可能为无穷大,因此该电路和降压斩波电路一样,也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。此时电机的反电动势相当于电路中的电源,而此时的直流电源相当于电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器。(2)用作单相功
11、率因数校正(PFC)电路(3)用于其他交直流电源中三、设计方案直流斩波电路一般主要可分为主电路模块,控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。3.1主电路设计方案主电路电路图如图3-1:图3-1 升压斩波电路主电路由上图可以看出,主电路主要由电源、电阻、电感、电容、二极管和MOSFET等器件构成。电源E=12V,因为要求输出电压为18V,电流为0.6A,所以电阻R选用30欧姆,L为电感,C为电容,VD是二极管,V是全控型器件,选用MOSFET。主电路模块主要由全控器件MOSFET的开通与关断的时间占空比,来决定输出电压Uo的大小。3.2控制电路设计方案 控制电路:此电路主要用来产生控制信号。产生P
12、WM信号有很多方法,但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路。本设计采用STC12C5A60S2单片机产生PWM信号。图3-2 STC12C5A60S2单片机引脚图图3-3控制电路接线图控制过程为,设计程序导入到单片机中,输出该实验所需占空比为33.33的PWM波。所以控制电路的难点在于程序的设计。通过查阅资料以及芯片手册,设计程序如下:#includeSTC12C5A.h /STC12C5A60S2单片机头文件,里面对单片机内部的寄存器地址都定义了#define uint unsigned int#define uchar unsigned char
13、void main()CCON=0X00; /PCA模块的低8位CH=0; /PCA模块的高8位CL=0; /PCA 模块的低8位CMOD=0X08; /PCA模块寄存器的时钟不分频CCAP0L=0xAA; /PCA模块0捕获寄存器0的低8位CCAP0H=0xAA; /PCA模块0捕获寄存器0的高8位CCAPM0=0x42; / 8位PWM输出,无中断CR=1; /PCA计数器启动控制位,写1启动计数器while(1); /死循环,不让程序结束 PWM脉宽调制输出工作原理: 在PCA定时器启动的时候,CL(PCA Base Timer LOW)将从0xff在一定时钟频率(Fosc)下递减至0x
14、00,在递减的过程中,不断与CCAP0L(PCA Module-0 Capture Register)的值比较,大于等于CCAP0L时,相应PWM引脚输出高电平,小于CCAP0L的值时,输出低电平,当递减到0x00时,产生数据溢出,溢出后,单片机相应寄存器将CCAP0H(PCA Module-0 Capture Register)中的值传递给CCAP0L,CL继续由0xff递减。所以,程序中,只要修改CCAP0H的值,就可以实现对脉宽输出的调节。由此也就实现了引脚电平的数字脉宽输出。 其中,脉宽的大小及频率由CL的初值与时钟频率来控制。脉冲占空比的计算公式为=(256-CCAP0L)/256*
15、100%,此次我们要输出的=33.33%,所以取CCAP0L得值为0xAA。 在上面的寄存器中,我们需要设置CCON=0x00,即不启用PCA中断。设置CCAP0L=0x42,即8位PWM输出,无中断。而CMOD的值可用于调整PWM的输出频率。CMOD调整的是PCA模块的时钟,分频越多,溢出的越慢,频率约低。而CL的值可直接调整溢出的频率,从而直接调整输出的频率,CH的值与CL的值相等即可。本次程序写CMOD=0X08,PCA模块的输入时钟不分频,从而得到最大的输出频率。最后写CR=1即启动计数器。从而以上的程序即可输出一个频率和占空比可调的PWM波。3.3驱动电路设计方案驱动部分是连接控制部
16、分和主电路的桥梁,该部分主要完成以下几个功能:(1)提供适当的正向和反向输出电压,使电力MOSFE管可靠的开通和关断;(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通;(3)尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率;(4)足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘;(5)具有灵敏的过流保护能力。驱动电路的基本任务,就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。驱动电路一方面将控制信号放大,另一方面提供电气隔离,保护控制电路。电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的
17、第一个显著特点是驱动电路简单,需要的驱动功率小;第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小,耐压低,多用于功率不超过10Kw的电力电子装置。美国IR公司生产的IR系列驱动器,兼有光耦隔离和电磁隔离的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选。根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET管开关特性,选择驱动芯片IR2104来实现驱动。驱动芯片IR2104的基本参数:峰值输出电流0.36A;最大下降时间:90ns;最大升压时间:170ns。根据以上参数可知该驱动芯片完全符合本设计要求。图3-3 IR2104引脚图单片机产生的PWM由2脚引入驱动芯片,通过7脚输出去驱动功率开关
18、管。3.4电路设计图总电路设计图如图3-4:图3-4总电路设计图左边为控制电路,是由单片机构成的,根据编写的程序,是由P1.3口(4引脚)输出PWM,然后接入驱动电路,图3-4的右上角IR2104的2引脚,接入驱动电路后,输出接MOSFET的栅极(G),就可对MOSFET进行开通关断控制。四、软硬件设计4.1硬件设计4.1.1功率器件参数计算及选型MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称
19、尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。(1)功率MOSFET的工作原理:截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏,漏源极之间无电流流过。导电:在栅源极间加正电压UGS,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J1消失,漏极和源极导电。 (2) 功率开关的选择(IRF540):当功率开关处于
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- 电力 电子设计 实践 报告
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