升压斩波电路设计

电力电子课程设计目录一、综述................................................................................................................1二、电路组成........................................................................................................12.1、电容滤波二极管不可控整流电路.......................................................12.1.1、电容滤波二极管不可控整流电路的电路图............................12.1.2、电路分析....................................................................................22.2、PWM控制电路....................................................................................32.2.1、TL494内部组成与功能............................................................32.2.2、PWM控制电路.........................................................................42.3、驱动电路...............................................................................................42.3.1、功率驱动集成芯片IR2110.......................................................52.3.2、基于IR2110的驱动电路..........................................................52.4、boost升压斩波电路.............................................................................62.4.1、boost升压斩波电路图..............................................................62.4.2、boost斩波电路原理分析..........................................................62.4.2.1、基于实际电路的分析..................................................62.4.2.2、对于电路的粗略估算..................................................82.4.2.3、开关频率和占空比对电路的影响..............................8三、总电路图及其调试......................................................................................10四、参考文献......................................................................................................121一、综述本直流斩波电路基于TL494脉冲触发电路设计，采用IRf640N电力MOS管和IR2110驱动芯片。本电路由四部分组成：电容滤波二极管不可控整流电路，PWM控制电路，驱动电路，boost斩波电路。工频正弦交流电经电容滤波二极管不可控整流电路整流，变为具有很小纹波的直流电，作为boost斩波电路的直流电压输入，以TL494芯片为核心的脉冲产生电路产生PWM波，经由以IR2110为核心的驱动电路接至MOS管的门极和原极，控制MOS管的开断，进而影响boost斩波电路的占空比，通过改变PWM波的占空比改变boost斩波电路输出电压。同时利用TL494的两个误差放大器设置过电压保护和过电流保护，驱动电路将控制电路和主电路经行电气隔离，对控制电路起保护作用。二、电路组成本电路共有四部分：电容滤波二极管不可控整流电路，PWM控制电路，驱动电路，boost升压斩波电路。2.1、电容滤波二极管不可控整流电路2.1.1、电容滤波二极管不可控整流电路的电路图D11B4B421243C110µFV1120Vrms60Hz0°R110000Ω该电路输出是具有很小纹波的直流电压，波形近似为：22.1.2、电路分析如上图，假设经过整流后的电压的幅值U，则一个周期内的波形为sin()Uwt当电路开始工作时，电源先对电容和负载进行供电，此时电容处于充电状态，直到电容电压大于整流后的电源输出电压，此时电流为零：sin()cos()UwtiUcwwtRarctan()wtRcw故当电容开始放电时的电压为0sin(arctan())uURcw此后二极管饭后截至，电容开始放电，直到电容电压再次和电源输出电压相同：0ucRut解得：sin(arctan())tRcuURcwesin(arctan())uURcwwt3根据具体的参数Rc和w，利用作图法可以求得电容电压和整流输出电压相等时的电角度。易知当负载越大时，滤波电压波动性越大，电容越大时，波动性越小。2.2、PWM控制电路本电路基于TL494电压型脉冲宽度调制电路，TL494集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。本电路利用两误差放大器，和死区时间引脚，完成过电压保护，过电流保护和软开关功能。2.2.1、TL494内部组成与功能TL494内部含有一个线性锯齿波发生器，两个误差放大器，一个死区时间比较器，一个PWM比较器，脉冲换向器。振荡器的震荡频率（开关频率）有外接的定式电阻RT和定式电容CT决定，RT，CT的值与振荡频率的关系为：1.1oscTTfRC锯齿波的幅度与误差放大器的输出电压由脉宽调制（PWM）比较器进行比较，PWM比较器的输出送到脉冲触发电器和输出控制逻辑。误差电压由误差放大器产生，误差放大器将输出电压和5V内部备参考电压内部参考源之间的电压差放大，第二个误差放大器通常用来完成电流的限制功能。输出控制逻辑用来选择功率管推挽输出还是单端输出。4死区时间控制用来防止两个输出晶体管的同台交叠。如果死区时间控制接地，死区时间占总周期的3-5%。可以用外接电阻的电容来改善误差放大器的频响。这些外接元件通常接在补偿端和误差放放大器的反相输入端之间。2.2.2、PWM控制电路引脚12，11,8,接到24V直流电源，反馈电压接在误差放大器1的同相输入端，其反相输入端引脚2通过4.7K的电阻与TL494内部基准电源的输出端引脚14相连接。在反馈引脚3与引脚2之间介入RC反馈网络，构成高频增益及抑制高频寄生振荡。死区时间控制引脚4通过10K电阻接地，并且与引脚14之间通过10F电容相连，电阻和电容构成软启动电路。当系统上电时，由于电容的两端电压不能突变，所以引脚14输出的5V基准电压全部加在软启动电阻上，使死区控制引脚4处于高电平，死区时间比较器的输出为高电平，输出极截止，变换器不工作，两个Tip32管截止，开关电源无输出。随着软启动电容逐渐充电，电容两端的电压逐渐升高，软启动电阻两端的电压逐渐降低，输出晶体管逐渐开通，两个Tip321管逐渐开始工作。在变换器正常工作过程中，软启动电阻两端的电压近似为零。误差放大器2的同相输入端引脚15通过1K电阻与boost输出电路的接地端连接在一起，反相输入端接地，用于抑制boost输出端电流过大。9,10引脚通R7和R10接地，其中在R7和R10之间引出控制线，作为PWM信号。2.3、驱动电路驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要5求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路一方面将控制信号放大，另一方面提供电气隔离，保护控制电路。本驱动电路是基于IR2110功率驱动集成芯片设计的。2.3.1、功率驱动集成芯片IR2110IR2ll0采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5V~20V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地（USS）与功率电路参考地（COM）之间有-5V和+5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。引脚l和7是两路独立的输出，分别是LO（低端输出）和HO（高端输出），引脚3和6分别是VCC（低端电源电压）和VB（高端浮置电源电压），引脚9（VDD）是逻辑电路电源电压，引脚2（COM）是低端电源公共端，引脚5和l3分别是VS（高端浮置电源公共端）和VSS（逻辑电路接地端），引脚l0（HIN）是逻辑输入控制端，引脚ll（SD）是输入关闭端，引脚l2（LIN）是低端逻辑输入。IR2ll0浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，工作频率可达到500kHz。两路通道均带有滞后欠压锁定功能。2.3.2、基于IR2110的驱动电路本驱动电路如下图所示，IR2110的9号引脚与TL494的14号引脚相连，向IR2110提供稳定5V电平，12号引脚和PWM控制电路的输出控制信号相连，为IR2110低端电压输出提供控制信号，15V电源通过滤波电容接地，同时和低端电源电压引脚3相连。L0位低端电压输出端，和电力MOS管相连，提供开关信号。62.4、boost升压斩波电路2.4.1、boost升压斩波电路图本电路选用IF640N电力MOS管作为开关器件，电路为：其中IF640N的门极与驱动电路的1号引脚相连，R9左端引脚和TL494的误差放大器2的反相输入端相连，R1和R2引脚之间的引脚和TL494的同相输入端相连。2.4.2、boost斩波电路原理分析2.4.2.1、基于实际电路的分析假设一个周期内电力MOS管的导通时间为ont，关短时间为offt，输入端为7理想电压源，电压为U，假设电路开始工作时，MOS管进入关断状态。取1i为此阶段电阻R支路的电流，2i为电容C支路的电流，流经电感l的电流为3i，电阻R的端电压为u，则有：1uiR2uict312iii3iUlut联立以上各式的u为：22ulucluUtRt解得：222244()()2222222222(4)(4)2424llclrllclrttlcrlcrUllclreUllclreuUlclrlclr到电力MOS管开通时，电容C的端电压为0u，电感电流为0i：222244()()2222222222(4)(4)2424offoffllclrllclrttlcrlcrUllclreUllclreuUlclrlclr00()offffutuicttRt当MOS管处于导通状态时，电容对负载供电，电感与电源短接电流迅速增大：对于电容侧有：0uRcut解得：10tRcuue对于电感侧，取lR为电感回路的总电阻则有：0()rtlUUiieRR则当经过ont时间后电容和电感的分别为1u，1i8