电力电子技术课程设计报告 升压斩波电路设计

电力电子技术课程设计报告

题目：升压斩波（boost chopper）电路设计

学院：信息工程学院

班级：

学号：

姓名：刘旭华、罗凤娇

指导老师：

2011年4月10号

升压斩波电路（Boost Chopper）设计

摘要

本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boost chopper）.设计由Matlab仿真和Protel两大部分构成。Matlab主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到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，最后进行了GUI编程，利用图形可视化界面的直观易懂的特点，使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是电路板，它可以通过BluePrint、Kicad 、Protel等软件设计完成，其中Protel原理图设计系统以其分层次的设计环境，强大的元件及元件库的组织功能，方便易用的连线工具，强大的编辑功能设计检验，与印制电路板设计系统的紧密连接，自定义原理图模板高质量的输出等等优点，和丰富的设计法则，易用的编辑环境，轻松的交互性手动布线，简便的封装形式的编辑及组织，高智能的基于形状的自定布线功能，万无一失的设计检验等印制电路板设计系统的优点，使其在我们学生选用PCB电路板设计软件中占了绝大部分比重。本设计也采用Protel设计原理图，和进行PCB板布线。它是本设计从理论到实际制作的必进途径，通过设定相应的规则，足以满足设计所要求的规定。

关键字升压斩波; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel

目录

1概述 (3)

2课程设计任务及要求 (3)

2.1设计任务 (3)

2.1设计要求 (3)

3设计理论 (4)

3.1 升压斩波工作原理 (4)

3.2驱动电路选择 (5)

4仿真设计MATlAB (6)

4.1 仿真模型 (6)

4.2 仿真实验结果及分析 (7)

4.3 仿真实验结论 (9)

5仿真实验结论 (10)

6参考文献 (10)

1概述

直流斩波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斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波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。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

2课程设计任务及要求

2.1设计任务：

理论设计：了解掌握Boost Chopper电路的工作原理，设计Boost Chopper 电路的主电路和控制电路。包括：IGBT电流、电压额定的选择；驱动、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

仿真实验：利用Matlab仿真软件对Boost Chopper电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。

2.2设计要求

对Boosr Chopper电路的主电路和控制电路进行设计。分两组参数，每组参数如下：

（1）直流电压E=50V，负载中R=20Ω，L、C值极大，错误！未找到引用源。=30V。

（2）直流电压E=200V，负载中R=20Ω，L、C值极大。

3设计理论

3.1 升压斩波工作原理

主电路工作原理

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E I 1t o n

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/≥off t T ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost chooper 变换器。

off

t T /——升压比，调节其即可改变Uo 。将升压比的倒数记作β，即T t off

=

β

和导通占空比，有如下关系：

1=+βα

因此，可表示为 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：

① L 储能之后具有使电压泵升的作用

② 电容C 可将输出电压保持住

E t T E t t t U off off off on o =+=

E E U o α

β-==111()off

o on t I E U t EI 11-=( ) off

o t I E U 1 -

3.2驱动电路选择

IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS 的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT 驱动电路提出以下要求和条件：

(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。

(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。

(4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其RG 值较大。

(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。

IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。

IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

4仿真设计MATlAB

物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用Matlab自带的动态仿真集成环境-Simulink进行仿真。Simulink是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。

4.1 仿真模型

Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能强大，而且包含了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。

该设计的仿真模型如图1所示：

simulink 仿真模型图

simulink 仿真模型图中DC voltage source 是电压源，提供50V 点直流电压。L 为电感。Diode 为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动。C 为电容。IGBT 为斩波器件，R 为负载。Current Measurement1 用来测量流经L 的电流。Current Measurement2用来测量负载电流。Current Measurement3用来测量流经电容C 的电流。current 为流经IGBT 的电流，IGBT voltage 为IGBT 两段的电压。Scope 为示波器。Pulse Generator 为PWM 脉冲发生器，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。

4.2 仿真实验结果及分析

⑴ 周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100Ω时进行仿真，仿真结果如下：

图2-0-1 负载电压98.2V

图2-0-2 流经电感L 的电流值为0.982A

由图2-0-1中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即 11*501001150%

out in V V α===--（V ）

满足理论计算公式（ 1-4 ），由仿真结果知，原理图设计是对的。

⑵ 负载不变为100Ω，频率1KHz ，占空比变化时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。

占空比

55%

图2-6-1 负载电压109.1V

图2-6-2 流经电感L 的电流值为1.09A

从图2-6-1负载电压可以看出负载电压约为109.1V ，基本上符合理论计算：

（V ）

占空比为

95%

图2-10-1 负载电压942V

11*501111155%out in V V α===--

( 1-5 )

图2-10-2 流经电感L 的电流值为9.42A

从图2-10-1负载电压可以看出负载电压约为942V ，基本上符合理论计算： （V ）

4.3 仿真实验结论

由图（图2-0），在占空比为50%时，输出电压可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即 11*501001150%out in V V α===--

满足理论计算公式 （ 1-4 ），由仿真结果知，该原理图设计是对的。

11*5010001195%out in V V α===--

5仿真实验结论

现在我们所使用到能源中电能占了很大的比重，它具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。而《电力电子技术》正是与这一主题相关联的。直流升压斩波电路是里面的一部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。

在做课程设计的这段时间里，通过不断地查找资料，最升压斩波电路有了一定的理解。并且在matlab中仿真实现了。

在做课程设计过程中，我对matlab在仿真中的应用有了进一步的了解和掌握。Matlab在电力电子方面的仿真应用时，可以将电力电子电路输出效果图形化，形象直观，可以帮助我们对电路的理解。通过仿真实验和对仿真实验得到的输出波形的分析可知，在直流生涯斩波电路中电感电容的对其负载电压的影响。虽然理想的电感电容值为无穷大，但这在现实设计中是不可能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小成本成为矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也将和Boost启动时调节时间成为矛盾。所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取合适的电感电容值！

经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实践。

6参考文献

【1】《电力电子技术》西安：王兆安黄俊机械工业出版社

【2】《电力电子设备设计和应用技术手册》北京：机械工业出版社

【3】《电力电子技术基础》北京：林渭勋机械工业出版社

【4】《电力电子器件基础》北京：陈治明机械工业出版社

【5】《现代电力电子技术》北京：张立，赵永健科学出版社

【7】《电力电子技术手册》(精)/国外电气工程名著译丛机械工业出版社