直流斩波电路课程设计(开关电源)

设计内容与设计要求输入直流电源：24V10%直流输出电压：320V电压在电流额定值之内保持不变直流输出电流额定值10A一．设计内容选择一个单片机构成一个系统斩波电路的选择IGBT电流、电压额定的选择电力二极管，电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图写出控制流程列出主电路所用元器件的明细表二．设计要求1.给出整体设计框图，画出系统的完整的原理图(用protel99软件绘制)；2.说明所选器件的型号，参数。给出具体电路画出电路原理图；说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计总体思路，基本原理和框图；5.相关计算及器件选型;6.电路设计；7.总结与体会；8.附录；9.参考文献；10.课程设计的原理图。进度安排十二周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十二周星期一——十二周星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。十三周星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。参考文献电力电子技术王兆安机械工业出版社［2］康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版).[北京]:高等教育出版社,1998［3］张义和.ProtelDXP电路设计快速入门.[北京]:中国铁道出版社,2003[4]张乃国．电源技术．北京：中国电力出版社，1998[5]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001摘要本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boostchopper）.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引言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。1.升压斩波工作原理1.1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EI1tonV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（1-1）化简得：（1-2）1/offtT，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boostchooper变换器。offtT/——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即Ttoff1（1-3）因此，式（1-2）可表示为（1-4）offoontIEUtEI11EtTEtttUoffoffoffonooffotIEU1EEUo111升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：①L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1.2IGBT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。2.4最优参数选择当IGBT处于导通时，得11MdiLRiEdt(1-6)设1i的初值为10I，解上式得1101ttMEiIeeR(1–7)当IGBT处于关断时，设电动机电枢电流为2i，得offtxt1t2tOOiouttTofftont2i1iE10I20I10IOOiouttTont2i1iE20I图3-1电流连续图3-2电流断续22MdiLRiEEdt(1–8)设2i的初值为20I，解上式得2201ononttttMEEiIeeR(1–9)当电流连续时，从图3-2的电流波形可看出，t=ont时刻1i=20I，t=T时刻2i=10I，由此可得20101ononttMEIIeeR(1–10)ffoff10201ottMEEIIeeR(1–11)故由上两式求得：off101111tMTEeEeEImRReRe(1–12)on2011tTMTEeeEeeEImRReRe(1–13)把上面两式用泰勒级数线性近似，得1020()EIImR(1–14)该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值oI，即()MoEEEImRR(1–15)当电流断续时的波形如图3-2所示。当t=0时刻1i=10I=0，令式（1-10）中10I=0即可求出20I，进而可写出2i的表达式。另外，当t=2t时，2i=0，可求得2i持续的时间xt，即onn1l1txmemt(1–16)当offxtt时，电路为电流断续工作状态，offxtt是电流断续的条件，即11eme(1–17)根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。二、硬件实验2.1硬件电路2.1.1整流电路本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.对整流出来的电压进行傅里叶变换得T1TransEqC2220V220SD3Diode1N5407D2Diode1N5407D4Diode1N5407D5Diode1N5407L1InductorIron24442cos2cos46...31535outinvvttt，由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。Protel原理图如下图4所示：输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。2.1.2斩波信号产生电路此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只图4protel原理图需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图5所示：工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号OUTB14OSCOUT4IN+2RT6CT5DISC7CMPEN9IN-1SYNC3GND12SS8VCC15VC13OUTA11VREF16SD10U1SG3525AND6Diode1N4148D7Diode1N4148U2Optoisolator1Q2D44H8Q3D45H8R5R6驱动15VV-G驱动地C4振荡器输出同步5.1VC3R2R3R4R710k5.1V驱动15V驱动15VD1Diode1N5407C1V-GR1Res2J2SocketL2InductorIronQ1RF1S40N10稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。2.1.3斩波电路本设计为直流升压斩波（boostchopper）电