1、電力電子技術課程設計報告題目：升壓斬波電路設計學院:專業(yè):學號:姓名:指導教師：完成日期:升壓斬波電路設計（一）設計任務書題目六升壓斬波電路（BoostCh叩per）設計L通過對BoostChopper電路的設才，掌握BoostChopper電路的工作原理，綜合運用所學知識，進行Boo與tCho叩u電路和系統(tǒng)設計的能力。2.了解與熟悉BoostChopper電路拓撲，控制方法口3一理解和掌握BoostChopper電路及系統(tǒng)的主電路.控制電路和保護電路的設計方法，掌握器件的選擇計算方法口L具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調試的能力。二.設計內容及要求對boostchopper電路的主電路和控

2、制電路進行設計該題門分兩組參數(shù)，每組參數(shù)如卜：第一組:直流電壓E=50v,負載R=20Q,LsC值極大,Em=30V第二組:直流電壓E=200V,負載R=20QLC值極大.設計要求；1,理論設計:了解掌握BoostChopper電路的工作原電設計BoostChopper電路的主電路和控制電路.包括：IGBT電流，電壓額定的選擇驅動，保護電路的設計面出完整的主電路所用元器件的明細表2,防真實驗:利用MATLAB仿真軟件對BoostChopper電路主電路和控制電路進行仿真建模，并進行仿真實驗3.實際制作；利用PROTEL軟件繪出原理圖，結合具體所用元器件管腳數(shù)，外型尺寸，考慮散熱和抗干擾等因素，

3、設計PCB卬制電路板,最后完成系統(tǒng)電路的組裝，調試。（二）設計說明書一matlab仿真原理1升壓斬波電路工作原理1.1 主電路工作原理1.2 IGBT驅動電路選擇2仿真實驗2.1 仿真模型2.2 仿真實驗結果及分析2.3 仿真實驗結論2.4 最優(yōu)參數(shù)選擇二硬件實驗2.1 硬件電路2.1.1 整流電路2.1.2 斬波信號產(chǎn)生電路2.1.3 斬波電路2.1.4 總原理圖2.1.5 元器件列表2.2 PCB印刷電路板2.3 制造輸出一一final三課程設計總結參考文獻摘要本設計是基于SG3525芯片為核心控制的PWM#壓斬波電路(Boostchopper).設計由Matlab仿真和Protel兩大部

4、分構成。Matlab主要是理論分析，借助其強大的數(shù)學計算和仿真功能可也很直觀的看到PWM空制輸出電壓的曲線圖。通過設置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關系，最后進行了GUI編程，利用圖形可視化界面的直觀易懂的特點，使設計摒棄了繁瑣難懂的單一波形和控制方式，從而具有友好界面，非常方便的就可進行控制參數(shù)輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，它可以通過BluePrint、Kicad、Protel等軟件設計完成，其中Protel原理圖設計系統(tǒng)以其分層次的設計環(huán)境，強大的元件及元件庫的組織功能，方便易用的連線工具，強大的編輯功能設計檢驗，與印制電路板設計系統(tǒng)的緊密連接，自定義原理圖模板高質量的輸出等等

5、優(yōu)點，和豐富的設計法則，易用的編輯環(huán)境，輕松的交互性手動布線，簡便的封裝形式的編輯及組織，高智能的基于形狀的自定布線功能，萬無一失的設計檢驗等印制電路板設計系統(tǒng)的優(yōu)點，使其在我們學生選用PCB電路板設計軟件中占了絕大部分比重。本設計也采用Protel設計原理圖，和進行PC琳布線。它是本設計從理論到實際制作的必進途徑，通過設定相應的規(guī)則，足以滿足設計所要求的規(guī)定。關鍵字升壓斬波；SG3525;SIMULINK;PWM;Protel引言直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之

6、出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路.直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。但以IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應用中需要注意以下問題：(1)系統(tǒng)損耗的問；(2)柵極電阻；(3)驅動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。一matlab仿真原理1 .升壓斬波工作原理1.1 主電路工作原理假設L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1,同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為U

7、oo設V通的時間為ton,此階段L上積蓄的能量為EI1tonV斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff,則此期間電感L釋放能量為UoEI1toff穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等(1-1)化簡得：EIAUELt1uonoMoff(1-2)uot0ntoffeIetofftoffT/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boostchooper變換器。T/toff升壓比，調節(jié)其即可改變U0o將升壓比的倒數(shù)記作3,即Tf。和導通占空比，有如下關系：1. ，、(1-3)因此，式(1-2)可表示為(1-4)升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原

8、因:L儲能之后具有使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住2. 2IGBT驅動電路選擇IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓ugs、負偏壓-ugs和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓ugs的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和dUGs/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由dUGs/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據(jù)上述分析，對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此舊

9、GT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。(2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓ugs有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應為+12+15V;負偏壓應為-2V-10V。(4)IGBT驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般

10、在幾歐幾十歐，小容量的IGBT其RG值較大。(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的自保護功能。IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。IGBT驅動電路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路;專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。IGBT驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)Z構和存儲器件)，數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數(shù)字信號處理器構成的控制系統(tǒng)，IGBT驅動信號由處理器集成的PWM

11、模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設計出了一種可靠的IGBT驅動、>:7KO3. matlab仿真實驗物理仿真需要進行大量的設備制造、安裝、連接及調試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數(shù)難、模型難以重用，且實驗數(shù)據(jù)處理也不方便。但是計算機仿真卻可以很好的解決這個問題。只要有一臺計算機就可以對不同的控制系統(tǒng)進行仿真和研究，而且進行一次仿真實驗研究的準備工作也比較簡單，主要是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計算機編程。本系統(tǒng)采用Matlab自帶的動態(tài)仿真集成環(huán)境-Simulink進行仿真。Simulink是

12、一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散、及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。它為用戶提供了一個圖形化得用戶界面（GUI）。它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真相比具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。3.1 仿真模型Mdl文件是simulinkg仿真工具箱仿真所設計的文件。它具有功能強大，而且包含了常用的大部分元器件仿真數(shù)學模型，形象易懂，便于設計。該設計的仿真模型如圖1所示：CjrrentMeasureTienHCutentMeasurenr;n:2DCVoltageSourceLiocte圖1simulink仿真模型圖simulink仿真模型圖中DCvoltagesource是

13、電壓源，提供50V點直流電壓。L為電感。Diode為電力二極管，單項導通，阻止電流反向流動。C為電容。IGBT為斬波器件，R為負載。CurrentMeasurement用來測量流經(jīng)L的電流。CurrentMeasurement2用來測量負載電流。CurrentMeasurement?用來測量流經(jīng)電容C的電流。current為流經(jīng)IGBT的電流，IGBTvoltage為IGBT兩段的電壓。Scope為示波器。PulseGenerator為PW咻沖發(fā)生器，調節(jié)其占空比就可以控制輸出電壓的大小。3.2 仿真實驗結果及分析周期設為1KHz,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負載為10

14、0時進行仿真，仿真結果如下：圖2-0-2流經(jīng)電感L的電流值為0.982A由圖2-0-1中V1可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即11VoutVin*5010021150%滿足理論計算公式（1-4），由仿真結果知，原理圖設計是對的。負載不變?yōu)?00,頻率1KHz,占空比從5%iij95%A等百分比遞增時，輸出電壓，與輸入電壓和電路參數(shù)之間的關系。占空比5%圖2-1-1負載電壓51.8V圖2-1-2流經(jīng)電感L的電流值為0.518A從圖2-1-1負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V,基本上符合理論計算:11VoutVin-*5052.6（V）115%占空比15%圖2-2-1負載電

15、壓57.4V圖2-2-2流經(jīng)電感L的電流值為0.57A從圖2-2-1負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V,基本上符合理論計算:11.八VoutVin*5058.81115%占空比25%圖2-3-1負載電壓65.5V圖2-3-2流經(jīng)電感L的電流值為0.65A從圖2-3-1負載電壓可以看出負載電壓約為65.5V,基本上符合理論計算:11VoutVin*5066.6(V)1125%占空比35%圖2-4-1負載電壓75.6V圖2-4-2流經(jīng)電感L的電流值為0.75A從圖2-4-1負載電壓可以看出負載電壓約為75.6V,基本上符合理論計算:Vout11(V)Vin*5076.91135%占空比45%圖

16、2-5-1負載電壓89.3V圖2-5-2流經(jīng)電感L的電流值為0.89A從圖2-5-1負載電壓可以看出負載電壓約為89.3V,基本上符合理論計算:Vout145%*5091（V）占空比55%圖2-6-1負載電壓109.1V圖2-6-2流經(jīng)電感L的電流值為1.09A從圖2-6-1負載電壓可以看出負載電壓約為109.1V,基本上符合理論計算:ut圖2-7-2流經(jīng)電感L的電流值為1.042AVin*50111(V)1155%從圖2-7-1負載電壓可以看出負載電壓約為140.2V,基本上符合理論計算:11VoutVin*50142.5（V）1165%占空比75%圖2-8-1負載電壓196.2V圖2-8-

17、2流經(jīng)電感L的電流值為1.962A從圖2-8-1負載電壓可以看出負載電壓約為196.2V,基本上符合理論計算:1VoutVin1*50175%200（V）占空比85%圖2-9-1負載電壓325V從圖2-9-1負載電壓可以看出負載電壓約為325V,基本上符合理論計算:11VoutVin*50333(V)1185%占空比為95%圖2-10-1負載電壓942V圖2-10-2流經(jīng)電感L的電流值為9.42A從圖2-10-1負載電壓可以看出負載電壓約為942V,基本上符合理論計算:Vout十Vin1*501000(V)95%2.3仿真實驗結論由圖（圖2-0）,倍的關系。即在占空比為50%寸,輸出電壓可以看

18、到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成VoutV.150%*50100(1-5)滿足理論計算公式(1-4）,由仿真結果知，該原理圖設計是對的。2.4最優(yōu)參數(shù)選擇圖3-1電流連續(xù)當IGBT處于通態(tài)時，設電動機電樞電流為i1i口tonT圖3-2電流斷續(xù)得下式:LdrRi1Em式中，R為電動機電樞回路電阻與線路電阻之和。設i1的初值為I10,解上式得:i1I10e當IGBT處于斷態(tài)時,設電動機電樞電流為L千dtRi2Em-8)設i2的初值為I20,解上式得:ttoneEmton當電流連續(xù)時，從圖3-2的電流波形可看出,t=10n時刻i1=120,t=T時刻i2=I10,由此可得:tonI20I10tof

19、fton-i0)I10I20toff故由上兩式求得:I10EMRI20EmR-ii)ton-12)把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得I10I20(m該式表不了L為無窮大時電樞電流的平均值IIo(m當電流斷續(xù)時的波形如圖3-2所示。當t=0時刻i11415=I10=0,令式(1-10)中I10=0即可求出I20,進而可寫出i2的表達式。另外，當t=t2時,i2=0,可求得i2持續(xù)的時間tx,tx.1meln當txtoff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài),txt0ff是電流斷續(xù)的條件，即根據(jù)上式可對電路的工作狀態(tài)做出判斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。（升壓斬波工作原理引用自書籍王兆安、劉進軍，電力電子技術

20、第五版）二、硬件實驗2.1 硬件電路2.1.1 整流電路本設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.對整流出來的電壓進行傅里葉變2444換彳導voutJ2vincos2tcos4t6t.,由整流電路出來的電壓含有較大的紋31535波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel原理圖如下圖4所示：圖4protel原理圖輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3D4截止，電壓上正下負。

21、當同名端為負時D2、D5截止，D3D4導通，電壓同樣是上正下負，從而實現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。2.1.2 斬波信號產(chǎn)生電路此電路主要用來驅動IGBT斬波。產(chǎn)生PWM言號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機、PLG可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM勺專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的P

22、W瞰，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PW瞰的占空比，故在IN+端接個可調電阻就能實現(xiàn)PWg制。為了提高安全性，該芯片內部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWMS過光電耦合之后才送至驅動電路。其電路圖如下圖5所示:圖5驅動電路仿真圖工作原理：通過R2、R3C3結合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWMI號由OUTAOUT喻出，調節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWMf號通過二極管D&D7送至光電耦合器3，光耦后通過驅動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅動IGBTo此

23、電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM1波電路。2.1.3 斬波電路本設計為直流升壓斬波(boostchopper)電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應為輸出電壓比較大，故斬波6所示:左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。Q1為IGBT,D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負載。原理分析：首先假設電感L值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，Q1導通，50V電源向L2充電，充電基本恒定為11，同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓Uo為恒值，記為U。設V處于通態(tài)的時間為t

24、on,此階段電感L上積儲的能量為El1ton。當V處于段態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于段態(tài)的時間為toff,則在此期間電感L釋放的能量為（UoE）Itoff。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積儲的能量于釋放的能量相等，即EIh（UoE）I&（2-1）化簡得tontoffT:u°+匚+匚（2-2）tofftoff上式中的T/toff1,輸出電壓高于電源電壓。式（2-1）中T/toff為升壓比，調節(jié)其大小即可改變輸出電壓Uo的大小。2.1.4 總原理圖圖形如下圖7所示。其中J1為市電插口，P1接15V驅動,P2為驅動IGBT的PWMW號T1為變壓器

25、,將220V市電轉換成頻率不變的55V交流電(題目要求整理輸出50V,由于元器的阻抗會分壓，故把輸入電壓提高5V,此時變壓器變比為T1:T2=4:1)。變壓器變壓后輸入到由D2、D3、D4D5四個整流二極管組成的整流電路輸入端。經(jīng)整流后電壓含有較大的紋波，故通過L1、C2組成的LC低通濾波器進行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下來就是由電感L2、斬波器件IGBTQ1,電力二極管D1、電容C1組成的升壓斬波電路(BoostChopper).改變驅動信號PWM勺占空比就可以調節(jié)輸出到負載R1兩端電壓，J2是負載兩端的電壓測試點，接至示波器就可以看到輸出電壓。2.1.5 元器件列表圖7總原理圖

26、本系統(tǒng)除了PWMF號產(chǎn)生電路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具體見下表1（元器件清單）：表1元器件清單CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityCapPollPolarizedCapacitor(Radial)C1,C2,C4RB7.6-15CapPol13CapCapacitorC3RAD-0.3Cap1Diode1N54073AmpMediumPowerSiliconRectifierDiodeD1,D2,D3,D4,D5DIO18.84-9.6x5.6DiDde1N54075Diode1N4148HighConductan

27、ceFastDiodeD6,D7DIO7.1-3.9x1.9Diode1N41482'lugACFemaleECMainsPowerOutlet,EN60320-2-2二ClassI,PCFlangeRearMount,ChassisSocketJ1IEC7-2H3PlugACFemale1SocketSocketJ2PIN1Socket1nductorIronMagnetic-CoreInductorL1,L2AXIAL-0.9InductorIron2Header2Header,2-PinP1,P2,P3HDR1X2Header23RF1S40N1040A,100V,0.04Ohm

28、,N-ChannelPowerMOSFETQ1TO-262AARF1S40N101D44H8NPNPowerAmplifierQ2TO-220D44H81D45H8>NPPowerAmplifierQ3TO-220D45H81Res2ResistorR1,R2,R3,R4,R5,R6AXIAL-0.4Res2610kPotentiometerR7VR5RPot1TransEqTransformer(EquivalentCircuitModel)T1TRF_4TransEq1SG3525ANRegulatingPulseWidthModulatorU1DIP16SG3525AN1Optoi

29、solatorl4-PinPhototransistorOptocouplerU2DIP-4Optoisolator112.2 PCB印刷電路板PCB（PrintedCircuitBoard）,中文名稱為印制線路板，簡稱印制板，是電子工業(yè)的重要部件之一。幾乎每種電子設備，小到電子手表、計算器，大到計算機，通訊電子設備，軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，為了它們之間的電氣互連，都要使用印制板。在較大型的電子產(chǎn)品研究過程中，最基本的成功因素是該產(chǎn)品的印制板的設計、文件編制和制造。印制板的設計和制造質量直接影響到整個產(chǎn)品的質量和成本，甚至導致商業(yè)競爭的成敗?，F(xiàn)在常用的PCB板主要有單面板和雙

30、面板，單面板沒有雙面板好布線，但是在實驗室容易制作而且成本也要低，適合低密度的電路。本設計采用單面板，節(jié)約了一定得經(jīng)費，手工布線，考慮散熱，和抗電磁干擾，本設計增加了相應的規(guī)則，同時覆了銅，從而有效的優(yōu)化了布線，提高了散熱性能，和增強了抗電磁干擾。整塊板子性能得到了很大的改善。足以滿足題目要求PC眼見下圖8-1（二維）、8-2（三維正面）、8-3（三維反面）所示：表1-1llufeng2升目口5用圖8-1印刷電路板2維視圖圖8-3印刷電路板3維視圖反面2.3制造輸出一一final下面的文件可以直接拿到工廠里去生產(chǎn)，或者自己在實驗室里做:1企44國口圖9導線和覆銅的布置圖圖10元器件標識符圖圖1

31、1過孔圖圖9為導線和覆銅，如果在實驗室做的話就直接打印到菲林紙上，然后熱轉印到銅板上，最后腐蝕一下就可以得到板子上的導線和覆銅。圖10為元器件標識符，一般只有在工廠里才能打印到板子上。圖11為過孔。三課程設計總結電力電子技術的應用范圍十分的廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。1、一般工業(yè)。工業(yè)中大量應用各種交直流電動機。2、交通運輸。電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術，電動汽車的電動機依靠電力電子裝置進行電力電子變換和驅動。3、電力系統(tǒng)。在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子技術。4、電子裝置用電源。各種信息技術裝置都需要電力電子技術提供電源。如今，我們所使用到能源中電能占了很大的比重。電源具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉換成其他的信號等等。我們的日常生活已經(jīng)離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質和用電效率成為了全球研究的當務之急。而電力電子技術正是與這一主題相關聯(lián)的。我們的