电气工程boost斩波电路升压斩波电路电力电子技术课程设计.doc

BOOST斩波电路课程设计说明书
目录
摘要 - 1 -
1 BOOST斩波电路工作原理 - 2 —
1.1 主电路工作原理 — 2 —
1。2 控制电路选择 — 2 —
2 硬件调试 — 4 -
2.1 电源电路设计 — 4 -
2。2 升压（boost）斩波电路主电路设计 - 5 —
2。3 控制电路设计 — 6 -
2.4 驱动电路设计 - 10 -
2.5 保护电路设计 - 11 -
2.5.1 过压保护电路 - 11 -
2。5。2 过流保护电路 - 13 -
2.6 直流升压斩波电路总电路 — 13 -
3总结 — 15 —
4参考文献 - 16 —
直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）,直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流—交流—直流的情况;直流斩波电路的种类很多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路.另外还有升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式(ton不变，改变Ts）.本设计是基于SG3525芯片为核心控制的脉宽调制方式的升压斩波电路和降压斩波电路,设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。Multisim主要是仿真分析,借助其强大的仿真功能可以很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系,利用软件自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。第二部分是硬件电路设计，它通过软件设计完成。
关键字：直流斩波；PWM；SG3525
- 8 -

1 BOOST斩波电路工作原理
1.1 主电路工作原理
本实验主电路是直流升压斩波电路即boost斩波电路.
图1-1 直流升压斩波电路原理图

直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其理图如图1-1所示。在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能;当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通是，电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为：
（1-1）
式中T为V开关周期，为导通时间,为关断时间。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住.在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变,但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U.必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
1.2 控制电路选择
控制电路选用SG3525产生脉冲，再利用TLP250作为驱动,最终利用MOSFET管来实现对主电路的控制，最终电路如图1—2、图1—3所示。
图1-2 SG3525脉冲产生电路

图1-3 TLP250脉冲驱动电路

2 2 硬件调试
2.1 电源电路设计
本课设采用的是电容滤波的单相桥式不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中.其工作原理图如下：
图 2-1a 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形
³
主要的数量关系 （以电阻负载为例):
1） 输出电压平均值
整流电压平均值Ud 可根据输出波形及有关计算公式推导得出,但推导繁琐。空载时，.重载时， Ud 逐渐趋近于0。9U2， 即趋近于接近电阻负载时的特性。
通常在设计时根据负载的情况选择电容C 值，使,T 为交流电源的周期,此时输出电压为： Ud≈ 1。2 U2 。
图 2—1b 电容滤波的单相不可控整流电路输出电压与输出电流的关系
2） 电流平均值 输出电流平均值 为:
二极管电流iD 平均值为 ：
3） 二极管承受的电压：
2.2 升压（boost)斩波电路主电路设计
1)升压斩波电路的原理图如图所示：
图 2—2a 升压斩波电路原理图
图2-2a中假设L值、C值很大,V通时，E向L充电,充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电,因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton；V断时,E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff,则此期间电感L释放能量为.
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等
化简得：
（1）
，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器.表示升压比，调节其大小即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即。β和导通占空比α有如下关系：
（2）
因此,式（1）可表示为
（3)
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。
2）主电路工作原理
图 2-2b 主电路工作原理图
其中示波器观察控制电路输出脉冲的宽度和幅值,电压表分别用来测电源、MOSFET、负载的电压.直流电源需通过电源电路变压整流获得;PMW波由基于SG3525的控制电路产生，以控制MOSFET的通断。其工作原理已在上面说过。
2.3 控制电路设计
随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。为此，美国硅通用半导体公司推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET.SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,有过流保护功能,频率可调，同时能限制最大占空比.控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于可控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制电路还具有一定的保护功能.我们采取的是由电压调节芯片SG3525为核心组成的控制电路。SG3525 的管脚如图所示
图 2-3a SG3525管脚图
其中,脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5。1±1％）V，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器,内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端（脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和输入脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。各管脚具体功能如下：
1 脚:误差放大器的反相输入端；
2 脚：误差放大器的同相输入端；
3 脚：同步信号输入端， 同步脉冲的频率应比振荡器频率fs 要低一些；
4 脚：振荡器输出；
5 脚：振荡器外接电容CT端,振荡器频率fs＝1/CT（0。7RT+3R0），R0为5脚与7脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间,定时电容范围为0.001～0.1 μF；
6 脚:振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150 kΩ;
7 脚:振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500 Ω;
8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Vref的50μA恒流源充电;
9 脚:误差放大器的输出端；
10脚：PWM信号封锁端,当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁,该脚主要用于故障保护；
11脚：A路驱动信号输出；
12脚：接地；
13脚：输出集电极电压；
14脚：B路驱动信号输出；
15脚：电源, 其范围为8～35 V,通常采用+15V;
16脚：内部＋5 V基准电压输出。
SG3525芯片内部结构如图所示
图 2—3b SG3525内部结构图
SG3525芯片内部集成了精密基准电源、误差放大器、带同步功能的振荡器、脉冲同步触发器、图腾柱式输出晶体管、PWM比较器、PWM锁存器、软启动电路、关断电路和欠压锁定电路。
芯片+5.1V基准电压精度为±1%，由于基准电压值在误差放大器的输入共模范围内，因此，无须外接电阻.SG3525可以工作在主从模式，也可以与外部时钟同步。通过CT端(引脚⑤) 与放电端之间的电阻可以设置死区时间。
SG3525采用电压模式控制方式，工作原理波形如图3—11所示。振荡器输出的时钟信号触发PWM锁存器(Latch)，形成PWM信号的上升沿，使主电路的开关器件开通.误差放大器的输出信号与振荡器输出的三角波信号相比较，当三角波的瞬时值高于误差放大器的输出时，PWM比较器翻转,触发PWM锁存器,形成PWM信号的下降沿，使主电路的开关器件关断。F/F触发器用作分频器,将PWM锁存器的输出分频，得到占空比为0。5、频率为振荡器频率一半的方波。
1。 软启动
SG3525的软启动电容接入端（引脚⑧） 上通常接一个5μF的软启动电容。充电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此，与软启动电容接入端相连的PWM比较器反相输入端处于低电平，PWM比较器输出为高电平。此时，PWM锁存器的输出也为高电平,该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通.只有当软启动电容的充电电压使引脚⑧处于高电平时,SG3525才能开始工作.
2。 关断操作
通过引脚⑩（关断端)来关闭SG3525的输出。当引脚⑩上的信号为高电平时，可以实现两个功能： PWM锁存器立即动作,同时软启动电容开始放电。放电电流只有 150μA，如果关断信号为短暂的高电平，PWM信号将被中止,但此时软启动电容没有明显的放电过程。利用这个特点，可以很容易地实现逐个脉冲限幅。但是，如果引脚⑩ 上的高电平维持较长的时间，软启动电容将充分放电，当关断信号结束时,将进入软启动过程。特别要注意的是引脚⑩不应悬空,因为从该脚耦合进来的噪音信号将影响电路的正常工作。
也可以用补偿和软启动引脚来关断SG3525的输出。由于补偿和软启动引脚内部都有上拉电流源，当外部电路有下拉信号时,最大只需吸收100μA的电流就可关断输出。
图 2—3c SG3525脉冲图
3。 振荡器
在直流降压斩波电路中可以通过调节2脚接的电阻值改变输出脉冲信号的占空比。1、9脚短接形成反馈,控制2脚经可调电阻器接5V电压即可。本设计取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，经计算振荡器输出频率是90kHz，PWM输出频率定为45kHz。直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT.振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门;另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较,输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极（由脚11和脚14输出），锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。最后,脚11及脚14分别输出相位相差为180°的PWM波。
在本设计选用的MOSFET是IRF640，它由脉冲发生器产生的PWM信号驱动.下面是采用SG3525设计的控制电路
图 2-3d 基于SG3525的控制电路
2.4 驱动电路设计
由于SG3525所产生的脉冲不足以驱动MOSFET管工作，还需要采用已TPL250为主控芯片的光耦驱动电路
图2—4 基于TPL250的控制光耦驱动电路
2.5 保护电路设计
2.5.1 过压保护电路
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。
2.5.1.1 主电路器件保护
当达到—定电压值时,自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路,消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性,可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图2-5a所示.
图2-5a RC阻容过电压保护电路图

2.5.1.2 负载过压保护
如图2-5b所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作,禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电.如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。
电阻的取值，比较器反相端接5。1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ,所以R20=100K,R18=4K，R17=10k，R19=2k.
图2-5b 负载过压保护

2.5.2 过流保护电路
当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流.当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差,必须对变换器进行适当的过流保护。
过流保护的方法比较多,比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，对电路中元件的保护.
2.6 直流升压斩波电路总电路
总电路图如下图所示(保护电路未加入）。
图2-6 BOOST斩波电路总电路图
2。7元器件列表
器件名称
规格型号
数量（单位）
运算放大器
LT1228
3个
光耦合器
TLP250
1个
大电感
1mH
1个
电解电容
-———-—
若干
MOSFET
IRF640N
1个
电阻
———-——
若干
脉冲发生芯片
SG3525
1块
滑动变阻器
10KΩ
2个
二极管
IN4007
7个
三极管
NPN, PNP
各1个
快速熔断丝
6A/100V
1个
反向二极管
IN4002
2个

3 总结
经过两个月的电力电子课程设计,真的是获益不少。当看到这个任务书的时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了.于是拿起了课题认真的看了看,结果发现一头雾水，就大概知道一个主电路而已.
而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事,只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的内部是怎么接线的。于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了MOSFET升压斩波电路主电路的设计，在PWM控制技术那一章中掌握了控制电路的设计。
电力电子课程设计不仅让我加深了很多课本上的知识,也让我懂得了很多其它的.虽然已经会设计电路图了，但把它画出来也不是件容易的事啊。因为我是用multisim画的,首先很多元件在那里面是什么名字都不知道，只知道一些很常见的器件。还有一些元件的元件库也没有加载,因为不知道那些元件属于哪个元件库……感觉真的好麻烦啊 ，后来经过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。
通过这个设计,要做成一个可用的、实际的实物靠得是细节。以前课本上所学的东西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如何使你设计出来的电路是最简单的 ,最容易实现的;所用的器件应该用什么型号的才合适等等，都是需要我们在设计过程中要好好考虑的。
参考文献
1．王兆安、刘进军，《电力电子技术》第五版 北京:机械工业出版社，2009；
2。邱关源,《电路》第五版 北京;高等教育出版社，2010；
3。王维平，《现代电力电子技术及应用》南京：东南大学出版社，1999；
4。石玉、栗书贤，《电力电子技术题例与电路设计指导》北京： 机械工业出版社;