电力电子 河南理工大学.docx
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电力电子河南理工大学
河南理工大学
电力电子课程设计
实验项目：
Boost斩波电路
专业班级：
自动化10-9
姓名学号
夏腾飞311008002722
李亚311008002702
任双311008002704
1.boost斩波电路工作原理-1-
1.1.主电路工作原理-1-
1.2.控制电路选择-2-
2.硬件调试-3-
2.1电源电路-3-
2.2.boost斩波电路-5-
2.3.控制电路-6-
2.4.驱动电路-8-
2.5.仿真软件的介绍-8-
2.6.元器件列表-9-
3.总结-10-
4.参考文献11
1.boost斩波电路工作原理
1.1.主电路工作原理
升压斩波电路主电路工作原理图如下：
图1升压斩波电路主电路工作原理图
首先假设电感L值很大，电容C值也很大。
当V-G为高电平时，Q1导通，24V电源向L充电，充电基本恒定为
同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压
为恒值，记为
。
设V处于通态的时间为
，此阶段电感L上积储的能量为
。
当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
设V处于段态的时间为
，则在此期间电感L释放的能量为
。
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即
（2-1）
化简得
（2-2）
上式中的
，输出电压高于电源电压。
式（2-1）中
为升压比，调节其大小即可改变输出电压
的大小。
2）数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为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：
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路
因此可表示为
=
=
E
1.2.控制电路选择
控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
斩波电路有三种控制方式：
1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；
2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；
3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。
因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制MOSFET的通断。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。
这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
图4.1SG3525引脚图
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。
脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。
振荡器还设有外同步输入端（脚3）。
脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。
该放大器是一个两级差分放大器。
根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。
2.硬件调试
2.1电源电路
电子设备一般都需要直流电源供电。
这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。
图2.1直流稳压电源框图
图2.2单向桥式整流电路
图2.3电容滤波电路
图2.4具有放大环节的串联型稳压电路
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。
电网供给的交流电压U1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压UI。
但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
图2.2,2.3,2.4串联起来就组成了具有放大环节的串联型稳压电源电路图，其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。
稳压部分为具有放大环节的串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管Q1，Q2组成的复合管）；比较放大器（集成运放A）；取样电路R2、R4、R3，基准电压DZ、R1等组成。
整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：
当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经比较放大器放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。
2.2.boost斩波电路
升压斩波电路
直流升压斩波主电路使用一个全控器件MOSFET控制导通。
用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的通断，当t=0时，驱动MOSFET导通，电源E向负载供电，负载电压
=E，负载电流
按指数曲线上升。
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为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：
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路
因此可表示为
=
=
E
2.3.控制电路
（1）控制电路方案选择
控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
斩波电路有三种控制方式：
1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；
2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；
3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。
因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制MOSFET的通断。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。
这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
图4.1SG3525引脚图
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。
脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。
振荡器还设有外同步输入端（脚3）。
脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。
该放大器是一个两级差分放大器。
根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。
（2）工作原理
由于SG3525的振荡频率可表示为：
式中:
分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；
是与脚7相连的放电端电阻值。
根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取
=0.01μF,
=
=
。
可得f=40kHz，满足要求。
图4.2控制电路
SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。
因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图4.2所示10端外接过压过流保护电路。
当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。
SG3525还有稳压作用。
1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。
调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。
2.4.驱动电路
电力MOSFET的一种驱动电路
图中是一种采用光耦合隔离的由V2、V3组成的驱动电路。
当控制脉冲使光耦关断时，光耦输出低电平，使V2截至，V3导通，MOSFET在DZ1反偏作用下关断。
当控制脉冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使V2导通，V3截至，经VCC、V2、RG产生的.正向驱动电压使MOS管开通。
电力MOSFE的一种驱动电路有电气隔离和晶体管放大电路两部分；无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压；当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。
2.5.仿真软件的介绍
此次仿真使用的是MATLAB软件和multisim软件。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
.
Multisim软件是一个电路仿真软件，我们开始在multisim软件中绘制电路图，并进行仿真，给我们提供了一个平台。
2.6.元器件列表
元器件清单
器件名称
规格型号
数量（单位）
运算放大器
LT1228
1个
大电感
22mH、10mH
各1个
电解电容
100μF/5V
2个
电解电容
3.9μF/5V
2个
电解电容
0.7mF/100V
1个
电解电容
22μF/10V
1个
电阻
600Ω，0.1Ω,4kΩ
各1个
电阻
2kΩ
1个
电阻
1kΩ
6个
电阻
10kΩ
1个
芯片
SG3525
1块
滑动变阻器
10KΩ
2个
二极管
IN4148
3个
电容
0.01μF，0.1μF
各1个
三极管
NPN,
1个
整流二极管
IN4002
8个
3.总结
回顾起此次电力电子课程设计，感慨颇多，在两个星期的日子里可以说是整天都充满着压力与忙碌，自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。
从开始得到老师给定课题时的一脸茫然到老师讲解后内容的初步了解再到自己通过查资料、与同学共同探讨、经过老师指导后，自己设计并写出这份课程报告，心中充满了成就感，通过这次的课程设计，我发现了电力电子技术的重要性，它里面的器件如MOSFET之类的还可以对我们实际的电路起到提高效率和保护作用，可以通过控制它的触发脉冲来实现它的关断，这都是非常常见但是却非常有实际意义的。
课程设计并没有想象中的那么顺利，其间我们也遇到了很多的困难，但是在大家的讨论和老师的帮助下我们还是完成了，这让我意识到只要我们努力了，就没有攻不过的难关，而且，对于电力电子技术的思考，让我的逻辑思维能力大大提高，思维更加敏捷。
同时让我培养了一种透过部分联系全篇的思路，锻炼了我办事的能力，做事效率提高了很多。
通过这次设计加深了我对这门课程的了解，也大大提高了我们的实践能力。
我认识到无论在什么设计中，都要有一定的耐心和毅力，不要遇到问题就退缩，要不畏困难，勇于创新。
以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。
但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
4.参考文献
1．周克宁，《电力电子技术》北京：
机械工业出版社，2004；
2．王兆安、黄俊，《电力电子技术》第四版。
北京：
机械工业出版社，2000；
3．李宏，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》（1～4册）北京：
机械工业出版社，2001；
4．王维平，《现代电力电子技术及应用》南京：
东南大学出版社，1999；
5．石玉、栗书贤，《电力电子技术题例与电路设计指导》北京：
机械工业出版社；
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