電力電子課程設(shè)計(jì)---直流斬波電路

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　課題名稱(chēng)： 直流斬波電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： </b></p><p><b>　　學(xué)生班級(jí)： </b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b>&l

2、t;/p><p><b>　　學(xué)生學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p><p>　　系：電氣與信息工程系 年級(jí)：08級(jí) 專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化 </p>&l

3、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱(chēng)為直流-直流變換器（DC/DC Converter），直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類(lèi)很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Ze

4、ta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）。本設(shè)計(jì)是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調(diào)制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路，設(shè)計(jì)分為Multisim仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。Multisim主要是仿真分析，借助其強(qiáng)大的仿真功能可以很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線(xiàn)圖，通過(guò)設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結(jié)果

5、。第二部分是硬件電路設(shè)計(jì)，它通過(guò)Protel等軟件設(shè)計(jì)完成。</p><p>　　關(guān)鍵字：直流斬波；PWM；SG3525</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.1直流斬波電路原理1</p><p>　　1.1.1

6、直流降壓斬波電路1</p><p>　　1.2.2直流升壓斬波電路2</p><p>　　1.2主電路的設(shè)計(jì)3</p><p>　　1.2.1直流降壓斬波電路3</p><p>　　1.2.2直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù)3</p><p>　　1.2.3直流升壓斬波電路4</p>&l

7、t;p>　　1.2.4直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算4</p><p>　　2觸發(fā)電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1.1PWM控制芯片SG3525簡(jiǎn)介5</p><p>　　2.1.2SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性5</p><p>　　2.1.3觸

8、發(fā)電路6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總電路圖7</p><p><b>　　3電路仿真8</b></p><p>　　3.1觸發(fā)電路的仿真8</p><p>　　3.1.1Multisim仿真電路的建立8</p><p>　　3.1.2觸發(fā)電路的仿真結(jié)果及分析9<

9、;/p><p>　　3.2 直流降壓斬波電路的仿真及分析10</p><p>　　3.2.1 Multisim仿真電路的建立10</p><p>　　3.2.2 直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析10</p><p>　　3.3 升壓斬波電路仿真11</p><p>　　3.3.1 Multisim仿真

10、電路的建立11</p><p>　　3.3.2 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析12</p><p>　　4總結(jié)與體會(huì)14</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)15</b></p><p>　　1 直流斬波主電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　直流斬波電路原理</b

11、></p><p><b>　　直流降壓斬波電路</b></p><p>　　直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低于電源電壓，其原理電路如圖1-1 所示。</p><p>　　在開(kāi)關(guān)器件V導(dǎo)通時(shí)，</p><p>　　有電流經(jīng)電感L向負(fù)載供電，在V</p><p>　　關(guān)斷時(shí)

12、，電感L釋放儲(chǔ)能，維持負(fù)</p><p>　　載電流，電流經(jīng)負(fù)載和二極管VD形 圖1-1 直流降壓斬波電路原理圖</p><p>　　成回路。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　式中T

13、為V開(kāi)關(guān)周期,為導(dǎo)通時(shí)間，為占空比。</p><p>　　Uo最大為E，減小a，Uo隨之減小——降壓斬波電路。也稱(chēng)為Buck變換器(Buck Converter)。</p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　電流斷續(xù)時(shí)

14、，uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)。</p><p>　　根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式:</p><p>　　（l） 保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱(chēng)為PWM(Pulse Width Madula-tion)或脈沖調(diào)寬型。</p><p>　　（2） 保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期T,稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。</

15、p><p>　?。?） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱(chēng)為混合型。</p><p>　　1.2.2直流升壓斬波電路</p><p>　　直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖1-2所示。</p><p>　　在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流</p><p>　　由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，</p>&l

16、t;p>　　電感L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電</p><p>　　感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓</p><p>　　方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè) 圖1-2 直流升壓斬波電路原理圖</p><p>　　得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均

17、值為: </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中T為V開(kāi)關(guān)周期,為導(dǎo)通時(shí)間，為關(guān)斷時(shí)間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放

18、電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　主電路的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　直流降壓斬波電路</b></p><p>　　直流降壓斬波主電路圖如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-

19、3 直流降壓斬波主電路</p><p>　　直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)數(shù)</p><p>　　設(shè)計(jì)降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V，負(fù)載電阻R=10Ω，試選L=2mH,T=50μS,=25μS。根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　=0.0002，=0

20、.1，=0.05</p><p>　　=0.487>m （1-5）</p><p>　　所有所選L符合要求，電流不斷續(xù)。</p><p>　　全控型器件選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，其主要參數(shù)如下：</p><p>　　關(guān)斷頻率：f=1MHz </p>

21、<p>　　=60ns （1-6）</p><p>　　=550ns （1-7）</p><p>　　=75A

22、 （1-8）</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　2SK307的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　理論計(jì)算降壓后輸出結(jié)

23、果：</p><p><b>　　（1-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　直流升壓斬波電路</b></p><p>　　直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 直

24、流升壓斬波主電路</p><p>　　直流升壓斬波參數(shù)計(jì)算</p><p>　　設(shè)計(jì)降升斬波電路中，直流升壓變壓器電源電壓E=50V，負(fù)載電阻R=10Ω，試選L=2mH,T=40μS,=20μS。C=30mF根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件：</p><p><b>　　（1-13）</b></p><p>　　其中α+β=1，經(jīng)

25、計(jì)算可知所選元件參數(shù)符合要求，在此升壓斬波電路中電流不斷續(xù)。</p><p>　　全控型器件同直流降壓斬波電路一樣選擇Silicon N Channel MOS FET 2SK307L，參數(shù)在此不在贅述。</p><p>　　理論計(jì)算升壓后輸出結(jié)果：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>&l

26、t;b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　PWM控制芯片SG3525簡(jiǎn)介</p><p>　　SG3525A系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進(jìn)為各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源的控制

27、性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準(zhǔn)電壓調(diào)定在±1％，誤差放大器有一個(gè)輸入共模電壓范圍。它包括基準(zhǔn)電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個(gè)到振蕩器的同步輸入可以使多個(gè)單元成為從電路或一個(gè)單元和外部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。在CT和放電腳之間用單個(gè)電阻器連接即可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動(dòng)電路，它只需要一個(gè)外部的定時(shí)電容器。一只斷路腳同時(shí)控制軟起動(dòng)電路和輸出級(jí)。只要用脈沖關(guān)斷，通過(guò)PWM（脈寬調(diào)制）鎖存

28、器瞬時(shí)切斷和具有較長(zhǎng)關(guān)斷命令的軟起動(dòng)再循環(huán)。當(dāng)VCC低于標(biāo)稱(chēng)值時(shí)欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動(dòng)電容器。輸出級(jí)是推挽式的可以提供超過(guò)200mA的源和漏電流。SG3525A系列的NOR（或非）邏輯在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)輸出為低。</p><p>　　·工作范圍為8.0V到35V</p><p>　　·5.1V±1.0％調(diào)定的基準(zhǔn)電壓</p><p>

29、　　·100Hz到400KHz振蕩器頻率</p><p>　　·分立的振蕩器同步腳</p><p>　　SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特性</p><p>　?。?）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器</p><p>　　基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護(hù)的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時(shí)又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。若輸

30、入電壓低于6V時(shí)，可把15、16腳短接，這時(shí)5V電壓調(diào)整器不起作用。</p><p><b>　　（2）振蕩器</b></p><p>　　3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)RD來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，因此是重大改進(jìn)。這時(shí)3525A

31、的振蕩頻率可表為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　（3）SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 SG3525的引腳以及內(nèi)部框圖</p><p>　　在直流降壓斬波電路中可以通過(guò)調(diào)節(jié)2腳接

32、的電阻值改變輸出脈沖信號(hào)的占空比，根據(jù)求頻率f的公式計(jì)算出SG3525外接元件參數(shù)如下：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　觸發(fā)電

33、路</b></p><p>　　MOS FET驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　MOS FET驅(qū)動(dòng)電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器

34、構(gòu)成的控制系統(tǒng)， MOS FET驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與MOS FET的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計(jì)的光耦驅(qū)動(dòng)電路是一種可靠的MOS FET驅(qū)動(dòng)方案。SG3525的光耦驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 MOS FET觸發(fā)電路圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總電路圖</p>

35、;<p>　　系統(tǒng)總的電路圖如圖2-3所示</p><p>　　圖2-3 系統(tǒng)總電路圖</p><p><b>　　電路仿真</b></p><p><b>　　觸發(fā)電路的仿真</b></p><p>　　3.1.1Multisim仿真電路的建立</p><p&g

36、t;　　在Multisim中用元件PWMVM代替PWM控制芯片SG3525，PWMVM的外接電路如圖3-1所示，根據(jù)仿真電路圖原理通過(guò)改變R7的大小可以改變脈沖占空比，改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即構(gòu)成脈沖寬度控制器，通過(guò)占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。</p><p>　　圖3-1 觸發(fā)電路模擬仿真圖</p><p>　　觸發(fā)電路的仿真結(jié)果及分析</p>

37、<p>　　在Multisim中對(duì)觸發(fā)電路進(jìn)行仿真，根據(jù)PWMVM控制原理可知，當(dāng)R7=10KΩ時(shí)，占空比為90%，仿真結(jié)果如圖3-2所示：當(dāng)R7=50KΩ時(shí)，占空比為50%，仿真結(jié)果如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-2 R7=10KΩ時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖</p><p>　　圖3-3 R7=50KΩ時(shí)觸發(fā)脈沖波形圖</p><p>　　3.2 直流

38、降壓斬波電路的仿真及分析</p><p>　　3.2.1 Multisim仿真電路的建立</p><p>　　根據(jù)直流降壓變流器原理圖建立變流器的Multisim仿真模型如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 降壓斬波電路模型</p><p>　　在模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的

39、脈沖周期為50μS和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=200V，輸出電壓=100V，電阻負(fù)載為10Ω，電感L=2mH。用示波器觀察輸出波形和二極管兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。</p><p>　　3.2.2 直流降壓斬波電路仿真結(jié)果及分析</p><p>　　脈沖信號(hào)波形和輸出電壓波形如圖3-5，脈沖信號(hào)波形和二極管兩端的電壓波形如圖3-

40、6。.</p><p>　　圖3-5 輸出波形圖</p><p>　　圖3-6 二極管電壓波形圖</p><p>　　由圖3-5分析可知觀察結(jié)果同理論值相符，誤差在允許范圍內(nèi)。所設(shè)參數(shù)滿(mǎn)足降壓要求但是電壓的波動(dòng)很大。修改電感參數(shù)進(jìn)行多次仿真，可發(fā)現(xiàn)增大電感可以減少輸出電壓的脈動(dòng)，但電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間被延遲。由圖3-6分析可知二極管在MOS FET導(dǎo)通關(guān)斷此時(shí)電壓等于

41、電源電壓E，在MOS FET關(guān)斷是導(dǎo)通起續(xù)流的作用此時(shí)電壓等于0。</p><p>　　3.3 升壓斬波電路仿真</p><p>　　3.3.1 Multisim仿真電路的建立</p><p>　　根據(jù)直流升壓壓變流器原理圖建立變流器的Multisim仿真模型如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 升壓斬波電路模型</p>

42、<p>　　在圖3-7升壓斬波電路模型中采用了MOS FET,MOS FET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為40μS和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比為50%，直流降壓變流器電源電壓E=50V，輸出電壓=100V，電阻負(fù)載為10Ω，電感L=2mH，電容C=30mF。用示波器觀察輸出波形和二極管與電容兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測(cè)輸出電壓和負(fù)載電流。</p><p>　　3.3.2

43、直流升壓斬波電路仿真結(jié)果及分析</p><p>　　脈沖信號(hào)和輸出電壓波形如圖3-8和3-9所示，脈沖信號(hào)波形和二極管與電容兩端的波形如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-8 輸出電壓波形仿真開(kāi)始</p><p>　　圖3-9 輸出電壓穩(wěn)定后波形</p><p>　　圖3-10 二極管與電容兩端的電壓</p><p

44、>　　由圖3-7與3-8分析可知示波器、電壓表、電流表所觀測(cè)的結(jié)果與理論值相符，誤差很小在允許范圍內(nèi)。由圖3-8可知電感越大輸出電壓越穩(wěn)定但是延遲時(shí)間越長(zhǎng)，由圖3-10可知二極管與電容兩端的電壓在MOS FET關(guān)斷時(shí)電壓等于電源電壓E，此時(shí)E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等。</p><p><b>　　總結(jié)與體會(huì)</b

45、></p><p>　　做過(guò)很多次各科的課程設(shè)計(jì)了，但是這次的課程設(shè)計(jì)給我的印象最深。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的重要性，它里面的器件如MOS FET 之類(lèi)的還可以對(duì)我們實(shí)際的電路起到提高效率和保護(hù)作用，可以通過(guò)控制它的觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)它的關(guān)斷，這都是非常常見(jiàn)但是卻非常有實(shí)際意義的。課程設(shè)計(jì)并沒(méi)有想象中的那么順利，其間我也遇到了很多的困難，但是在大家的討論和老師的幫助下我們還是完成了，這讓我意識(shí)

46、到只要我們努力了，就沒(méi)有攻不過(guò)的難關(guān)，而且，對(duì)于電力電子技術(shù)的思考，讓我的邏輯思維能力大大提高，思維更加敏捷。同時(shí)讓我培養(yǎng)了一種透過(guò)部分聯(lián)系全篇的思路，鍛煉了我辦事的能力，做事效率提高了很多。</p><p>　　一次次小小的課題設(shè)計(jì)，也可以折射到一次對(duì)人生的規(guī)劃，課題的設(shè)計(jì)是我人生設(shè)計(jì)的一部分，為我人生的規(guī)劃埋下了美好的種子。我非常珍惜這次取得的成績(jī)，我喜歡這種具有挑戰(zhàn)性的課題設(shè)計(jì)。</p>&l

47、t;p>　　這次的課題設(shè)計(jì)，我獲益頗多，不僅讓我了解了電力電子器件的功能，更精進(jìn)了我對(duì)器件的理解和運(yùn)用，讓我深深喜歡上了這門(mén)學(xué)科。設(shè)計(jì)雖然是辛苦的，但是獲得的比我付出的更多。</p><p>　　在此也感謝老師對(duì)我們的指導(dǎo)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M] 第五