目錄1 引言.42 方案設計.5 2.1 升壓斬波電路原理.5 2.2 工作原理.62.3 參數計算73 分單元電路設計9 3.1 控制電路設計.9 3.1.1 控制電路方案的選擇.9 3.1.2 SG3525的工作原理.10 3.2 驅動電路設計.10 3.3 保護電路設計.114 總電路圖.135 課程設計總結.146 參考文獻.15 1 引言電力電子技術(Power Electronics)也稱為電力電子學。利用電力電子開關器件組成電力開關電路，利用晶體管集成電路和微處理器構成信號處理和控制系統，對電力開關電路進行實時、適式的控制，可以經濟有效地實現開關模式的電力變換和電力控制，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。是綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科。現已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中占有重要地位。直流變直流是電力電子技術中變流技術的重要部分，廣泛應用于電子領域。直流-直流變流電路的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路，它的功能就是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。本課程設計就是其中的一種斬波電路，即升壓斬波電路。本課程設計采用IGBT全控型器件，采用專用PWM控制集成電路SG3525進行驅動，并利用MATLAB的Power System工具箱進行主電路的仿真實驗，滿足了設計要求，是一次比較成功的設計?？刂婆c驅動電路2 方案設計 保護電路 主電路 直流電源 圖1 系統總體框圖斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅動電路模塊三部分組成。其中，主電路模塊主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和直流斬波電路組成，其中主要由全控器件IGBT的開通與關斷的時間占空比來決定輸出電壓Uo的大小?？刂婆c驅動電路模塊：用直接產生PWM的專用芯片SG3525產生PWM信號送給驅動電路，經驅動電路來控制IGBT的開通與關斷。電路模塊：驅動電路把控制信號轉換為加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅動IGBT的開通與關斷。驅動電路模塊：控制電路中的保護電路是用來保護電路的，防止電路產生過電流現象損害電路設備。2.1 升壓斬波電路原理圖2斬波電路2.2 工作原理在電路中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導通時電容的放電回路。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。分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當可控開關V處于通態時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負載R供電。因C值很大，基本保持輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設V處于通態的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EIlton。當V處于斷態時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于斷態的時間為toff,則在此期間電感L釋放的能量為(Uo-E) Iltoff。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即EIlton=(Uo-E) Iltoff (1)化簡得 Uo=ton+tofftoffE=TtoffE(2)式中，T/toff1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。又稱boost變換器（Boost Converter）。式（2）中T/toff表示升壓比，調節其大小，即可改變輸出電壓U0的大小。將升壓比的倒數記作，即= toffT。則和占空比有如下關系+=1(3)因此，式（2）可表示為：Uo=1E=11-E (4)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:一是電感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，Uo必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于式（4）所得結果。不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即EIl=UoIo(5)該式表明，升壓斬波電路可看成是直流變壓器。根據電路結構并結合式（4）得出輸出電流的平均值Io為Io=UoR=1 ER (6)由式（5）即可得出電源電流Il為Il=UoEIo=12 ER(7)下面確定電流連續的臨界條件：如果在T時刻電感電流iL剛好降到0,則為電流連續與斷續的臨界工作狀態。此時電感電流平均值為Il=12il,max=12 ELton=TUo2L(1-) (8)又由式（4）和式（5）可得IoIl=1-(9)聯立式（8）、（9）可得，在臨界狀態下的電感值為L=TUo2Io1-2(10)當時LL時，升壓斬波電路工作在連續狀態下。電感越大時，電感電流越平直。電容在關斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，即Q=IoT(11)則電壓變化量Uo=QC=IoTC(12)所以電容值為C=IoTUo(13)濾波電容越大，輸出電壓越平直。2.3 參數計算（1）輸出電壓Uo、負載電阻R、輸出電流Io根據設計要求，可取輸入直流電壓E=50V，輸出功率Po=1kW，占空比=0.375。因此，由式（4）得輸出電壓Uo=11-E=11-0.37550V=80V(14)負載電阻為R=(Uo2)/Po =802/1000=6.4，取標稱值R=6.4由（6）式可得輸出電流為 Io=Uo/R=80/6.4 A=12.5A由（7）式可得電源電流為 Il=Uo/E Io=80/5012.5=20A（2）電感L、電容C要求開關頻率 fs=5KHz，所以開關周期T=1fs=210-4s。由式（10）可得在臨界狀態下的電感值為 L=TUo2Io1-2 =210-4100230.3751-0.3752=9.37510-5H為使升壓斬波電路工作在連續狀態下，取L=110-4H。確定電容的計算要求輸出電壓脈率小于10%，取5%，則Uo=Uo5%=4V。代入式（13）可得C=IoTUo=30.375210-44=5.610-5F為使輸出電壓較平直，取電容值C=5.62510-5F。（3）IGBT 當IGBT截止時，回路通過二極管續流，此時IGBT兩端承受最大正壓為50V；而當=1時，IGBT有最大電流，其值為3A。故需選擇集電極最大連續電流Ic=6A，反向擊穿電壓Bvceo=100V的IGBT，而一般的IGBT都滿足要求。(4) 續流二極管 其承受最大反壓50V，其承受最大電流趨近于10A，考慮2倍裕量，故需選擇UN200V，IN10A的二極管。3 分單元電路設計3.1控制電路設計3.1.1 控制電路方案的選擇控制電路主要實現的功能是產生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時能夠通過對占空比的調節達到控制輸出電壓大小的目的。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：1）保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調制（PWM）或脈沖調寬型；2）保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T，稱為頻率調制或調頻型；3）ton和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。其中，又以第1種應用最多，故本設計中也采用PWM控制。PWM控制就是對脈沖寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅動器件，其柵射極之間有數千皮法左右的極間電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻。使IGBT開通的柵射極間的驅動電壓一般取1520V。同樣，關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（-5-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩，改電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。本設計中，控制電路以SG3525為核心構成。SG3525為美國Silicon General公司生產的專用PWM控制集成電路，它采用衡頻脈寬調制控制方案，適合于各種開關電源、斬波器的控制。SG3525其內部包含精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等，實現PWM控制所需的基本電路，并含有保護電路。其電路圖如圖3所示圖3 SG3525電路圖3.1.2 SG3525的工作原理SG3525的腳16 為5.1V基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳6、腳7 內有一個雙門限比較器，內設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器，同時振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端，該放大器是一個兩級差分放大器。通過R2、R3、C3結合SG3525產生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。通過調節R6，可在OUTA、OUTB兩端輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差180,占空比可調的矩形波(即PWM信號)。3.2 驅動電路設計IGBT是電力電子器件，控制電路產生的控制信號一般難以直接驅動IGBT，因此需要外加驅動電路。驅動電路是連接控制部分和主電路的橋梁，驅動電路的穩定與可靠性直接影響著整個系統變流的成敗，具體來講IGBT的驅動要求動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。否則IGBT會在開通及關延時，同時要保證當IGBT損壞時驅動電路中的其他元件不會被損壞。其次能向 IGBT提供適當的正向和反向柵壓，一般取+15 V左右的正向柵壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。而且要具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅動信號超出此范圍可能破壞柵極。最后當 IGBT處于負載短路或過流狀態時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。在本設計中，直接采用光電耦合式驅動電路，該電路雙側都有電源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩定性比較好。如圖4所示，控制電路所輸出的PWM信號通過TLP521-1光耦合器實現電氣隔離，再經過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大以驅動IGBT。為得到最佳的波形，在調試的過程中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。 圖4 驅動電路3.3 保護電路設計升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，如圖5所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調節保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關管的損壞。 圖5 電壓和電流保護電路4 總電路圖如圖6所示。220V的交流電經變壓器變壓后輸入到由D9、D10、D11、D12四個整流二極管組成的整流電路輸入端 。經整流后電壓含有較大的紋波，故通過L3、C4組成的LC低通濾波器進行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下來就是由電感L4、斬波器件IGBT、電力二極管D14、電容C6組成的升壓斬波電路。通過調節滑動電阻器R6改變驅動信號PWM的占空比就可以調節輸出到負載R5兩端電壓。 圖6 總原理圖5 課程設計總結回顧起此次的電力電子課程之IGBT升壓斬波電路設計，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會，可以說這次IGBT升壓斬波電路設計是在自己用心努力和在老師的精心指導下共同完成的。在兩個星期的日子里，可以說自己每天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設計中學到了很多東西。設計過程中，因為是第一次做，難免會遇到各種各樣的問題。在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關資料，并與同課題同學互相討論，交流經驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學到了不少知識。通過本次課程設計讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學科的重要性。通過這次設計，我還發現課本上的理論知識和實踐還是有一定的差別，理論知識要