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（boostchopper）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1升压斩波电路（BoostChopper）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（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;Protel2目录1概述…………………………………………………………32课程设计任务及要求………………………………………32.1设计任务……………………………………………………32.1设计要求……………………………………………………33设计理论……………………………………………………43.1升压斩波工作原理…………………………………………43.2驱动电路选择………………………………………………54仿真设计MATlAB…………………………………………64.1仿真模型…………………………………………………64.2仿真实验结果及分析……………………………………74.3仿真实验结论……………………………………………95仿真实验结论……………………………………………106参考文献…………………………………………………1031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BoostChopper电路的工作原理，设计BoostChopper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BoostChopper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BoosrChopper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。43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化简得：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和导通占空比，有如下关系：1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：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EtTEtttUoffoffoffonoEEUo111offoontIEUtEI11offotIEU153.2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。64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7simulink仿真模型图中DCvoltagesource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。CurrentMeasurement1用来测量流经L的电流。CurrentMeasurement2用来测量负载电流。CurrentMeasurement3用来测量流经电容C的电流。current为流经IGBT的电流，IGBTvoltage为IGBT两段的电压。Scope为示波器。PulseGenerator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100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%outinVV（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。8⑵负载不变为100，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942V11*501111155%outinVV9(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%outinVV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%outinVV105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