电力电子课程设计直流斩波电路.docx

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1、课程设计报告课题名称： 直流斩波电路的设计电力电子技术课程设计任务书系：电气与信息工程系年级：专业：自动化指导教师姓名课题名称一、设计任务和要求学生姓名直流斩波电路的设计（1） 熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。（2） 掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。（3） 能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。（4） 广泛收集相关资料。内（5）独立思考，刻苦专研，严禁抄袭。（6） 按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。容二、设计内容（1） 明确设计任务，对所要设计地任务进行具体分析，充分了解系统性能，及指标要求。（2） 制定设计方案。任（3

2、）迸行具体设计：单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。务（4）撰写课程设计报告（说明书）：课程设计报告是对设计全过程的系统总结。三、技术指标斩波电路输出电压为 1005V，直流降压斩波电路输入电压为直流流 200V， 直流升压斩波电路输入电压为直流 50V。脉冲周期为 50S（降压）40S（升压），脉冲信号占空比可以通过SG3525 调节。进起止日期度6.1安6.1排6.2答辩成绩指导教师评阅意见设计内容分析设计任务，确定元件参数、指标用 Multisim 进行仿真，Protel 绘制硬件电路图撰写设计报告摘要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

3、-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

4、 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 Protel 等软件设计完成。关键字：直流斩波；PWM；SG3525目 录1 直流斩波主电路的设计11.1 直流斩波电路原理11.1.1 直流降压斩波电路11.2.2直流升压斩波电路21.2 主电路的设计31.2.1 直流降压斩波电路31.2.2 直流降压斩波电路参数计数31.2.3 直流升压斩波电路41.2.4 直流升压斩波参数计算42 触发电路设计52.1 控制及驱动电路设计52.1.1 PWM 控制芯片 SG3525 简介52.

5、1.2 SG3525 内部结构及工作特性52.1.3 触发电路62.2 系统总电路图73 电路仿真83.1 触发电路的仿真83.1.1 Multisim 仿真电路的建立83.1.2 触发电路的仿真结果及分析93.2 直流降压斩波电路的仿真及分析103.2.1 Multisim 仿真电路的建立103.2.2 直流降压斩波电路仿真结果及分析103.3 升压斩波电路仿真113.3.1 Multisim 仿真电路的建立113.3.2 直流升压斩波电路仿真结果及分析124 总结与体会13参考文献141 直流斩波主电路的设计1.1 直流斩波电路原理1.1.1 直流降压斩波电路直流降压变流器用于降低直流电源

6、的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如图 1-1 所示。在开关器件 V 导通时，有电流经电感 L 向负载供电，在 V关断时，电感 L 释放储能，维持负载电流，电流经负载和二极管 VD 形图 1-1 直流降压斩波电路原理图成回路。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：U=tonottE =on E = a E（1-1）+ tTonoff式中 T 为 V 开关周期, ton为导通时间，为占空比。Uo 最大为 E，减小 a，Uo 随之减小降压斩波电路。也称为 Buck 变换器(Buck Converter)。负载电流平均值为：I = U0-

7、 E0Rm（1-2）电流断续时，uo 平均值会被抬高，一般不希望出现。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式:（l） 保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间tonMadula-tion)或脉冲调宽型。，称为 PWM(Pulse Width（2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期 T,称为频率调制或调频型。（3） ton和 T 都可调，使占空比改变，称为混合型。11.2.2直流升压斩波电路直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图 1-2 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

8、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 图 1-2 直流升压斩波电路原理图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:U=tono+ ttoffoffE =TEtoff（1-3）式中 T 为 V 开关周期, ton为导通时间，tott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

9、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。21.2 主电路的设计1.2.1 直流降压斩波电路直流降压斩波主电路图如图 1-3 所示。图 1-3 直流降压斩波主电路1.2.2 直流降压斩波电路参数计数设计降压斩波电路中，直流降压变压器电源电压 E=200V，负载电阻 R=10，试选 L=2mH,T=50S, t=25S。根据判断电流断续的条件：onm t = L =0.0002， r = T =0.1，ar =0.05Rtear - 1er - 1（1-4）ear - 1 =

10、0.487m1-5（）er - 1所有所选 L 符合要求，电流不断续。全控型器件选择 Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要参数如下：关断频率：f=1MHztd (on )td (off )=60ns（1-6）=550ns（1-7）I=75A（1-8）DVDSVGSS= 40V（1-9）= 20V（1-10）32SK307 的参数符合设计要求。理论计算降压后输出结果：tTU =on E = 100V（1-11）oIUR=o = 10 A（1-12）o1.2.3 直流升压斩波电路直流升压斩波电路主电路图如图 1-4 所示。图 1-4 直流升压斩波主电路1.2.

11、4 直流升压斩波参数计算设计降升斩波电路中，直流升压变压器电源电压 E=50V，负载电阻 R=10，试选 L=2mH,T=40S, t=20S。C=30mF 根据判断电流断续的条件：on1 - e- brem 1 -r（1-13）其中+=1，经计算可知所选元件参数符合要求，在此升压斩波电路中电流不断续。全控型器件同直流降压斩波电路一样选择 Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，参数在此不在赘述。理论计算升压后输出结果：U=1E = 100Vo1 - a（1-14）URI =o = 10V（1-15）o42触发电路设计2.1 控制及驱动电路设计2.1.1 PWM 控

12、制芯片 SG3525 简介SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的 5.1V 基准电压调定在1，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在 CT 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过 PWM（脉宽调制） 锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当 VCC 低于标称

13、值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过 200mA 的源和漏电流。SG3525A 系列的 NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。工作范围为 8.0V 到 35V 5.1V1.0调定的基准电压 100Hz 到 400KHz 振荡器频率分立的振荡器同步脚2.1.2 SG3525 内部结构及工作特性（1） 基准电压调整器基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V 时， 可把 15、16 脚短接，这时 5V 电压调整器不起作用。（2） 振荡器3525A 的振荡器，除C

14、T、RT 端外，增加了放电 7、同步端 3。RT 阻值决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值 RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于通过 RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。这时 3525A 的振荡频率可表为：f =1SC (0.7RTT+ 3RD)（2-1）5（3） SG3525 的内部结构SG3525 的内部结构如图 2-1 所示。图 2-1 SG3525 的引脚以及内部框图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，根据求频率 f 的公式计算出 SG3525 外接元件参数如下：2.1.3 触发电路C= 0.01m

15、 F（2-2）TR = 7.W（2-3）TR = 10W（2-4）DMOS FET 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。MOS FET 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， MOS FET 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MOS FET 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 设计的光

16、耦驱动电路是一种可靠的 MOS FET 驱动方案。SG3525 的光耦驱动电路如图 2-2 所示。6外wx:3 1r，氏11112.2 系统总电路图图 2-2 MOS FET 触发电路图二路 5电酝早丘忑厂 系统总的电路图如图 2-3 所示归ltP 11触发及驱动电路, I|图 2-3 系统总电路图73电路仿真3.1 触发电路的仿真3.1.1 Multisim 仿真电路的建立在 Multisim 中用元件PWMVM 代替 PWM 控制芯片SG3525，PWMVM 的外接电路如图 3-1 所示，根据仿真电路图原理通过改变 R7 的大小可以改变脉冲占空比，改变脉冲的占空比就是对脉冲的宽度进行调制，

17、即构成脉冲宽度控制器，通过占空比的控制从而控制输出电压的大小。图 3-1 触发电路模拟仿真图83.1.2 触发电路的仿真结果及分析在 Multisim 中对触发电路进行仿真，根据PWMVM 控制原理可知，当R7=10K时，占空比为 90%，仿真结果如图 3-2 所示：当 R7=50K时， 占空比为 50%，仿真结果如图 3-3 所示。图 3-2 R7=10K时触发脉冲波形图图 3-3 R7=50K时触发脉冲波形图93.2 直流降压斩波电路的仿真及分析3.2.1 Multisim 仿真电路的建立根据直流降压变流器原理图建立变流器的Multisim 仿真模型如图 3-4 所示。图 3-4 降压斩波

18、电路模型在模型中采用了 MOS FET,MOS FET 的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期为 50S 和脉冲宽度可以调节脉冲占空比为 50%，直流降压变流器电源电压 E=200V，输出电压U R =100V，电阻负载为 10，电感 L=2mH。用示波器观察输出波形和二极管两端电压波形，用直流电压分别检测输出电压和负载电流。3.2.2 直流降压斩波电路仿真结果及分析脉冲信号波形和输出电压波形如图 3-5，脉冲信号波形和二极管两端的电压波形如图 3-6。.图 3-5 输出波形图10图 3-6 二极管电压波形图由图 3-5 分析可知观察结果同理论值相符，误差在允许范围内。所设参数满

19、足降压要求但是电压的波动很大。修改电感参数进行多次仿真，可发现增大电感可以减少输出电压的脉动，但电压达到稳定的时间被延迟。由图3-6 分析可知二极管在 MOS FET 导通关断此时电压等于电源电压 E，在 MOS FET 关断是导通起续流的作用此时电压等于 0。3.3 升压斩波电路仿真3.3.1 Multisim 仿真电路的建立根据直流升压压变流器原理图建立变流器的 Multisim 仿真模型如图 3-7 所示。图 3-7 升压斩波电路模型在图 3-7 升压斩波电路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期为 40S 和脉冲宽度可以调节脉冲占

20、空11比为 50%，直流降压变流器电源电压 E=50V，输出电压U R =100V，电阻负载为10，电感 L=2mH，电容 C=30mF。用示波器观察输出波形和二极管与电容两端电压波形，用直流电压分别检测输出电压和负载电流。3.3.2 直流升压斩波电路仿真结果及分析脉冲信号和输出电压波形如图 3-8 和 3-9 所示，脉冲信号波形和二极管与电容两端的波形如图 3-10 所示。图 3-8 输出电压波形仿真开始图 3-9 输出电压稳定后波形12图 3-10 二极管与电容两端的电压由图 3-7 与 3-8 分析可知示波器、电压表、电流表所观测的结果与理论值相符，误差很小在允许范围内。由图3-8 可知

21、电感越大输出电压越稳定但是延迟时间越长，由图 3-10 可知二极管与电容两端的电压在 MOS FET 关断时电压等于电源电压 E，此时 E 和 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 提供能量，当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等4总结与体会做过很多次各科的课程设计了，但是这次的课程设计给我的印象最深。通过这次的课程设计，我发现了电力电子技术的重要性，它里面的器件如 MOS FET 之类的还可以对我们实际的电路起到提高效率和保护作用，可以通过控制它的触发脉冲来实现它的关断，这都是非常常见但是却非常有实际意义的。课程设计并没有想象中的那么顺利，其间我也遇到了很多

22、的困难，但是在大家的讨论和老师的帮助下我们还是完成了，这让我意识到只要我们努力了，就没有攻不过的难关， 而且，对于电力电子技术的思考，让我的逻辑思维能力大大提高，思维更加敏捷。同时让我培养了一种透过部分联系全篇的思路，锻炼了我办事的能力，做事效率提高了很多。一次次小小的课题设计，也可以折射到一次对人生的规划，课题的设计是我人生设计的一部分，为我人生的规划埋下了美好的种子。我非常珍惜这次取得的成绩，我喜欢这种具有挑战性的课题设计。这次的课题设计，我获益颇多，不仅让我了解了电力电子器件的功能，更精进了我对器件的理解和运用，让我深深喜欢上了这门学科。设计虽然是辛苦的，13但是获得的比我付出的更多。在此也感谢老师对我们的指导。参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术M 第五版 北京：机械工业出版社，2011 年1 Wang Zhaoan, Liu Jinjun. Power ElectronicsM. Fifth EditionBeijing:China Machine Press, 201114