1、BOOST斬波電路課程設計說明書電力電子技術課程設計任務書課程名稱：直流斬波電路的性能研究學 院：電氣學院 專業班級：自動化10班姓 名：吳 學號：31100800 張 31100800 馮 31100800 2013年1月目錄摘要- 1 -1 BOOST斬波電路工作原理- 2 -1.1主電路工作原理- 2 -1.2控制電路選擇- 2 -2 硬件調試- 4 -2.1電源電路設計- 4 -2.2升壓（boost）斬波電路主電路設計- 5 -2.3控制電路設計- 6 -2.4驅動電路設計- 10 -2.5保護電路設計- 11 -2.5.1過壓保護電路- 11 -2.5.2過流保護電路- 13 -2

2、.6直流升壓斬波電路總電路- 13 -3總結- 15 -4參考文獻- 16 - 16 -摘要直流斬波電路的功能是將直流電變為另一種固定的或可調的直流電，也稱為直流-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，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調制方式（ton不變，改變Ts）。本設計是基于SG3525芯片為核心控制的脈寬調制方式的升壓斬波電路和

3、降壓斬波電路，設計分為Multisim仿真和Protel兩大部分構成。Multisim主要是仿真分析，借助其強大的仿真功能可以很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線圖，通過設置參數分析輸出與電路參數和控制量的關系，利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結果。第二部分是硬件電路設計，它通過軟件設計完成。關鍵字：直流斬波；PWM；SG35251 BOOST斬波電路工作原理1.1 主電路工作原理本實驗主電路是直流升壓斬波電路即boost斬波電路。圖1-1 直流升壓斬波電路原理圖直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其理圖如圖1-1所示。在電路中V導通時，電流由E經升壓電感L和V形成回路，電

4、感L儲能；當V關斷時，電感產生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導通是，電容的放電回路。調節開關器件V的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均值為: （1-1） 式中T為V開關周期,為導通時間，為關斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因:一是L儲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，認為V處于通態期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，

5、在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。1.2 控制電路選擇控制電路選用SG3525產生脈沖，再利用TLP250作為驅動，最終利用MOSFET管來實現對主電路的控制，最終電路如圖1-2、圖1-3所示。圖1-2 SG3525脈沖產生電路圖1-3 TLP250脈沖驅動電路2 2 硬件調試2.1 電源電路設計 本課設采用的是電容濾波的單相橋式不可控整流電路，常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產品中。其工作原理圖如下：圖 2-1a 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形³ 主要的數量關系 （以電阻負載為例）：1） 輸出電壓平均值 整流電壓平均值Ud

6、可根據輸出波形及有關計算公式推導得出，但推導繁瑣。空載時，。重載時， Ud 逐漸趨近于0.9U2， 即趨近于接近電阻負載時的特性。 通常在設計時根據負載的情況選擇電容C 值，使，T 為交流電源的周期，此時輸出電壓為： Ud 1.2 U2 。圖 2-1b 電容濾波的單相不可控整流電路輸出電壓與輸出電流的關系2） 電流平均值 輸出電流平均值 為： 二極管電流iD 平均值為 ：3） 二極管承受的電壓：2.2 升壓（boost）斬波電路主電路設計1）升壓斬波電路的原理圖如圖所示：圖 2-2a 升壓斬波電路原理圖圖2-2a中假設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

7、，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton；V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。穩態時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 化簡得： （1），輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost變換器。表示升壓比，調節其大小即可改變Uo。將升壓比的倒數記作，即。和導通占空比有如下關系： （2）因此，式（1）可表示為 （3）升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：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）主電路工作原理圖 2-2b 主電路工作原理圖其中

8、示波器觀察控制電路輸出脈沖的寬度和幅值，電壓表分別用來測電源、MOSFET、負載的電壓。直流電源需通過電源電路變壓整流獲得；PMW波由基于SG3525的控制電路產生，以控制MOSFET的通斷。其工作原理已在上面說過。2.3 控制電路設計隨著電能變換技術的發展，功率MOSFET在開關變換器中開始廣泛使用。為此，美國硅通用半導體公司推出了SG3525，以用于驅動N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，

9、同時能限制最大占空比?？刂齐娐沸枰獙崿F的功能是產生PWM信號，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調節，達到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護功能。我們采取的是由電壓調節芯片SG3525為核心組成的控制電路。SG3525 的管腳如圖所示圖 2-3a SG3525管腳圖其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1）V，而且設有過流保護電路。腳5，腳6，腳7 內有一個雙門限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內誤差放大器的反

10、相輸入端、同相輸入端。根據系統的動態、靜態特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和輸入腳1 之間一般要添加適當的反饋補償網絡。各管腳具體功能如下：1 腳：誤差放大器的反相輸入端； 2 腳：誤差放大器的同相輸入端； 3 腳：同步信號輸入端， 同步脈沖的頻率應比振蕩器頻率fs 要低一些；4 腳：振蕩器輸出； 5 腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs1/CT（0.7RT+3R0）,R0為5腳與7腳之間跨接的電阻，用來調節死區時間，定時電容范圍為0.0010.1 F； 6 腳：振蕩器外接定時電阻RT端，RT值為2150 k； 7 腳：振蕩器放電端，用外接電阻來控制死區時間，電阻范圍為0500 ； 8

11、腳：軟啟動端，外接軟啟動電容，該電容由內部Vref的50A恒流源充電； 9 腳：誤差放大器的輸出端； 10腳：PWM信號封鎖端，當該腳為高電平時，輸出驅動脈沖信號被封鎖，該腳主要用于故障保護； 11腳：A路驅動信號輸出； 12腳：接地； 13腳：輸出集電極電壓； 14腳：B路驅動信號輸出； 15腳：電源， 其范圍為835 V，通常采用+15V； 16腳：內部5 V基準電壓輸出。SG3525芯片內部結構如圖所示圖 2-3b SG3525內部結構圖SG3525芯片內部集成了精密基準電源、誤差放大器、帶同步功能的振蕩器、脈沖同步觸發器、圖騰柱式輸出晶體管、PWM比較器、PWM鎖存器、軟啟動電路、關斷

12、電路和欠壓鎖定電路。 芯片+5.1V基準電壓精度為±1%，由于基準電壓值在誤差放大器的輸入共模范圍內，因此，無須外接電阻。SG3525可以工作在主從模式，也可以與外部時鐘同步。通過CT端(引腳) 與放電端之間的電阻可以設置死區時間。 SG3525采用電壓模式控制方式，工作原理波形如圖311所示。振蕩器輸出的時鐘信號觸發PWM鎖存器(Latch)，形成PWM信號的上升沿，使主電路的開關器件開通。誤差放大器的輸出信號與振蕩器輸出的三角波信號相比較，當三角波的瞬時值高于誤差放大器的輸出時，PWM比較器翻轉，觸發PWM鎖存器，形成PWM信號的下降沿，使主電路的開關器件關斷。F/F觸發器用作分

13、頻器，將PWM鎖存器的輸出分頻，得到占空比為0.5、頻率為振蕩器頻率一半的方波。 1. 軟啟動 SG3525的軟啟動電容接入端(引腳) 上通常接一個5F的軟啟動電容。充電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此，與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反相輸入端處于低電平，PWM比較器輸出為高電平。此時，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導通。只有當軟啟動電容的充電電壓使引腳處于高電平時，SG3525才能開始工作。 2. 關斷操作 通過引腳(關斷端)來關閉SG3525的輸出。當引腳上的信號為高電平時，可以實現兩個功能： PWM鎖存器立即動作，同時軟啟動電

14、容開始放電。放電電流只有 150A，如果關斷信號為短暫的高電平，PWM信號將被中止，但此時軟啟動電容沒有明顯的放電過程。利用這個特點，可以很容易地實現逐個脈沖限幅。但是，如果引腳 上的高電平維持較長的時間，軟啟動電容將充分放電，當關斷信號結束時，將進入軟啟動過程。特別要注意的是引腳不應懸空，因為從該腳耦合進來的噪音信號將影響電路的正常工作。 也可以用補償和軟啟動引腳來關斷SG3525的輸出。由于補償和軟啟動引腳內部都有上拉電流源，當外部電路有下拉信號時，最大只需吸收100A的電流就可關斷輸出。 圖 2-3c SG3525脈沖圖3. 振蕩器 在直流降壓斬波電路中可以通過調節2腳接的電阻值改變輸出

15、脈沖信號的占空比。1、9腳短接形成反饋，控制2腳經可調電阻器接5V電壓即可。本設計取CT=4700pF，RT=33k，RD=100，經計算振蕩器輸出頻率是90kHz，PWM輸出頻率定為45kHz。直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端，產生穩定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩態觸發器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨

16、誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。或非門的另兩個輸入端分別為雙穩態觸發器和振蕩器鋸齒波。雙穩態觸發器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極（由腳11和腳14輸出），鋸齒波的作用是加入死區時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后，腳11及腳14分別輸出相位相差為180°的PWM波。在本設計選用的MOSFET是IRF640，它由脈沖發生器產生的PWM信號驅動。下面是采用SG3525設計的控制電路圖 2-3d 基于SG3525的控制電路 2.4 驅動電路設計由于SG3525所產生的脈沖不足以驅動MOSFE

17、T管工作，還需要采用已TPL250為主控芯片的光耦驅動電路圖2-4 基于TPL250的控制光耦驅動電路2.5 保護電路設計2.5.1 過壓保護電路過壓保護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載保護。2.5.1.1 主電路器件保護當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過

18、壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖2-5a所示。圖2-5a RC阻容過電壓保護電路圖2.5.1.2 負載過壓保護如圖2-5b所示 比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上，輸出端接控制芯片10端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程，從而實現過壓保護。電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經變位器后為可調基準電壓，比較器

19、同相端電壓應在5V以內，取負載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。圖2-5b 負載過壓保護2.5.2 過流保護電路當電力電子電路運行不正?；蛘甙l生故障時，可能會發生過電流。當器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當的過流保護。過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，對電路中元件的保護。2.6 直流升壓斬波電路總電路總電路圖如下圖所示（保護電路未加入）。圖2-6 BOOST斬波電路總電路圖2.7元器件列表器件名稱規格型號數量（單位）運算放大器LT12283個光耦合器TLP2501個大電感1mH1個電解電容-若干MOSFETIRF640N1個電阻-若干脈沖發生芯片SG35251塊滑動變阻器10K2個二極管IN40077個三極管NPN, PNP各1個快速熔斷絲6A/100V1個反向二極管IN40022個3 總結經過兩個月的