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电力电子升压斩波电路课程设计

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2020年4月19日
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目录
摘要 2
1.主电路设计 3
1.1 MOSFET升压斩波电路原理图 3
1.2 MOSFET升压斩波电路工作原理 3
1.3 MOSFET升压斩波电路元器件选择、参数确定 5
1.4 MOSFET升压斩波电路典型波形 6
1.5 晶闸管的触发电路 6
1.6 驱动电路 8
1.7升压斩波电路的主电路设计 9
2.控制电路设计 10
2.1控制电路原理图 10
2.2控制电路工作原理 10
3.仿真结果 12
4.心得体会 14
5. 参考文献 15

摘要
直流直流升压电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
早期的直流装换电路，电路复杂、功率损耗、体积大，使用不方便。晶闸管的出现为这种电路的设计又提供了一种选择。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程能够控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。它电路简单体积小，便于集成；功率损耗少，符合当今社会生产的要求；因此在直流转换电路中使用晶闸管是一种很好的选择。
直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路。本文着重解决用MOSFET作开关的升压斩波电路。

1.主电路设计
设计一个MOSFET升压斩波电路（纯电阻负载）
设计要求：
1）输入直流电压：Ud=50V；
2）输出功率： 300W；
3）开关频率： 5KHz；
4）占空比： 10%-50%；
5）输出电压脉动率：小于10%。

1.1 MOSFET升压斩波电路原理图
MOSFET升压斩波电路原理图如图1所示，

图1 MOSFET升压斩波主电路原理图

1.2 MOSFET升压斩波电路工作原理
在控制开关开通期间，电流从电源正极流出，经过电感从开关流回电源负极。电容向供电，输出电压上正下负。电源电压全部加到电感两端，在该电压作用下，电感电流线性增长。在导通之间内，电感电流增量为：
1-1
在控制开关关断期间，经二极管流出，电感电压极性将变成左负右正，认为电感很大，不变。这样，电源和电感同时给电容和负载供电，负载两端电压仍是上正下负。电感电压，电感电流线性减小。在关断时间内，电感电流减小量的绝对值为：
1-2
当电路工作在稳态时，电感电流波形必然周期性重复，开关导通期间电感电流的增量等于开关断开时电感电流的减少量，即。
联立可得输出电压
1-3
由上式可知，是一个小于1的数，故输出电压比输入电压大。从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（）与开关关断期间释放的能量（）相等。列出等式：
1-4
解得,
1-5
下面确定电流连续的临界条件：
如果在时刻电感电流刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时
升压斩波电路的输入输出功率分别为：
1-6
1-7
忽略损耗，有，于是,
1-8
得临界电感值为,
1-9
确定电容的计算
电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，
1-10
则电压变化量
1-11
则
1-12
可决定脉动率。

1.3 MOSFET升压斩波电路元器件选择、参数确定
根据设计要求可选大小为50V的直流电压源;
选取降压斩波电路的占空比为50%;
则输出电压;
输出功率，要求输出功率为，可计算出负载电阻;
电压控制电压源和脉冲电压源可组成MOSFET功率开关的驱动电路。
计算：由式，周期可由开关频率得出为，把、、代入上式得出。
当时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。取。
计算：由式，要求脉动率，取;
计算;
代入上式计算出，滤波电容越大，输出电压越平直。

1.4 MOSFET升压斩波电路典型波形
MOSFET主电路典型波形如图2所示，

图2 MOSFET主电路典型波形

1.5 晶闸管的触发电路
作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。
晶闸管触发电路应满足下列要求：
1、触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）
2、触发脉冲应有足够的幅度
3、不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内
4、应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离

图3　理想的晶闸管触发脉冲电流波形
t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）　
t1~t3强脉宽度）
IM~强脉冲幅值（3IGT~5IGT）
t1~t4脉冲宽度）　
I~脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

图4 晶闸管触发电路

V1、V2构成脉冲放大环节
脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节
V1、V2导通时，经过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出
触发脉冲
VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其
储存的能量而设
1.6 驱动电路
驱动电路——主电路与控制电路之间的接口
使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义
对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或经过驱动电路实现
驱动电路的基本任务：
将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，能够使其开通或关断的信号
 对半控型器件只需提供开通控制信号
对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离
 光隔离一般采用光耦合器
  磁隔离的元件一般是脉冲变压器

图5　电力MOSFET的一种驱动电路
图5中是一种采用光耦合隔离的由V2、V3组成的驱动电路。当控制脉冲使光耦关断时，
光耦输出低电平，使V2截至，V3导通，MOSFET在DZ1反偏作用下关断。当控制脉
冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使V2导通，V3截至，经VCC、V2、RG产生的.
正向驱动电压使MOS管开通。电源+VCC可由DC/DC芯片提供。
电力MOSFE的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分；无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压；当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。
在升压斩波电路中，主电路和控制电路共地，因此驱动不用隔离。在降压斩波电路中则需要在控制电路和主电路之间加隔离。本实验装置中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，在加一级推挽电路进行放大。为了得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。
1.7升压斩波电路的主电路设计

图6 升压斩波电路的主电路

2.控制电路设计
2.1控制电路原理图

图7 控制电路原理图

2.2控制电路工作原理

图8 SG3525的引脚
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；
 16脚： 内部＋5 V基准电压输出
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，经过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。另外，控制电路还具有一定的保护功能。
被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电压为8V到35V。它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻能够在较大范围内调节死区时间。另外另外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。

3.仿真结果

图9 输入信号参数图

图10 仿真波形图

根据图10，我们能够很容易得出几个参数，
第一，能够读出输出电流值。
第二，能够读出输出电压值。

4.心得体会
回顾此次电力电子课程设计，我感慨很多。从理论到实践，我遇到了很多困难，可是同时也学到了好多东西。它不但巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。
刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。经过这次课程设计，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。
电力电子课程设计经过一周的时间完成了。虽然现在的设计题目比较简单，但经过课程设计的学习工作，使我接触了很多新的知识，也让我对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。
本次课程设计的内容囊括了本学期所学《电力电子技术》的大部分内容，还用到了以前所学的电路、模电的知识。在设计的过程中我遇到了诸多问题，这主要是自己所学知识的不牢固和欠缺造成的。经过再次认真翻看课本，查阅资料，向老师和同学请教终于把一个又一个的问题解决掉。经过这次课程设计我不但进一步巩固了这门课程的知识还经过亲自操作，熟悉了MATLAB等相关软件的使用方法，这为以后的学习工作提供了便利。
经过这次设计，我还发现课本上的理论知识和实践还是有一定的差别，理论知识要应用到实践中要经过仔细地思考和多次尝试，只有这要才能达到理论联系实践的效果。如果不是经过课程设计，我们的知识面可能一直停留在理论的层面。
最后我要感谢那些给予我帮助的老师和同学们，没有她们的耐心帮助，本次课程设计将很难完成。

5. 参考文献
[1]．王兆安、刘进军．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，
[2]．康华光、陈大钦．电子技术基础模拟部分．高等教育出版社，
[3]．秋关源、罗先觉．电路（第5版）．高等教育出版社，