1、電力電子技術課程設計報告設計題目：升壓斬波電路的設計英文題目 ： The Design of Boost Chopper院系： 電氣工程與自動化年級專業： 2011 級電氣工程及其自動化姓名：）2014年 6 月 30 日目錄目錄 11. 設計的題目 3 1.1 引言 31.2 升壓斬波電路的應用 42. 設計的任務： 4 2.1 課程設計要求 42.2Boost 電路技術參數及要求 53. 設計的依據： 5 3.1 總體構思依據 53.2 理論計算依據 64. 設計的內容： 74.1 主電路的選擇與計算過程7錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.2 控制

2、電路的選型與計算過程7錯誤!未定義書簽。4.2.2 NE555 工作原理 8錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.3 帶 tlp250光耦合器的驅動電路的選型94.3.1 tlp250引腳圖及引腳9錯誤!未定義書簽。4.4 繪制原理圖和 PCB9錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.4.3 555電路圖 94.4.4光耦 tlp250原理圖 9錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.5 列出元器件的規格、型號和明細表94.6PCB實物制作和調試過程11錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。4.7 實驗結果分析和處理125

3、. 心得體會 126. 主要參考文獻 141. 設計的題目1.1 引言隨著電力電子技術的迅速發展，高壓開關穩壓電源已被廣泛用于計算機、通信、工業加工和航空航天等領域。所有動力機裝置需要一個穩定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流任務。但有時那轉變的直流電壓同所需設備要求人仍不相符，仍需變換，稱為 DC/DC變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在充電蓄電電路、直流傳動系統、電力電子變換裝置、開關電源及各種用電設備中得到普遍的應用。隨之出現了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復合斬波電路、升降壓斬波電路

4、等多種方式的變換電路。直流斬波技術，已被廣泛運用于直流開關電源和電機推動中，使其控制獲得加速平滑、快速響應、加快節能的效果。直流斬波電路實際上采用的就是 PWM技術，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要的輸出電壓。 PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨電子技術的發展，近年來已發展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數量、連線和焊點。本次的課程設計主要是升壓斬波電路的設計。本設計是基于NE555芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（ Boost chopper ）. 設計采用 Ma

5、tlab 和 Protel及 protues 三個軟件進行仿真制作。先提出設計的目的，設計要求，然后根據目的和要求找出主電路，控制電路的設計方案，然后根據設計方案確定元器件選擇， protues 畫出原理圖，然后仿真出波形。Matlab 主要是理論分析，借助其強大的數學計算和仿真功能可也很直觀的看到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。Protel進行封裝，印刷出電路板進行實際調試。1.2 升壓斬波電路的應用升壓斬波電路目前的典型應用，一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數校正（ power factor correction,PFC）電路，三是用于其

6、它交直流電源中。2. 設計的任務：2.1 課程設計要求1) 熟悉掌握變換電路和控制電路的基本原理， 掌握主電路設計的過程 （包括計算和器件選型）2)能夠運用所學的理論知識，分析設計任務并使用Matlab 或 Saber 等仿真說明3)能正確設計電路與圖紙（ Protel99se/AltiumDesign原理圖和單層板 PCB圖紙），完成 PCB實物制作并調試4) 掌握實際電路的測量與調試方法，對數據和波形分析、處理并加以判斷2.2Boost 電路技術參數及要求1）輸入直流電壓： Ud=24V；2) 輸出功率： 030W；3）開關頻率： 1020KHz；4) 占空比： 10%50%；5）輸出電壓

7、脈率：小于10%。3. 設計的依據：3.1 總體構思依據直流斬波電路總共分為三個部分電路摸塊，分別為主電路模塊控制電路模塊和驅動電路模塊。1、主電路模塊： 由 MOS管的開通與關斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小。2、控制電路模塊：用來PWM技術控制 MOS管的開通與關斷。3、驅動電路模塊：用555 諧振蕩器來驅動MOS管原理框圖：控制電路驅動電路Boost555 諧振蕩器主電路43.2 理論計算依據假設 L 值、 C 值很大， V 通時， E 向 L 充電，充電電流恒為I 1 ，同時 C 的電壓向負載供電，因 C 值很大，輸出電壓為 U o 恒值 , 記為 U o 。設 V 通的時間為

8、t on ，此階段 L 上積蓄的能量為 E I 1 t on ，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 ? (U 0 E) I 1toff穩態時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等，化簡得： ?(U 0 E)I 1toffEI 1ton ?.（1-1 ）tontoffET?.（1-2 ）U 0Et offtoffT / t off 1 ，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為Boost Chopper 變換器。 ?T / t off 升壓比，調節其即可改變Uo。將升壓比的倒數記作，即t off 。

9、和導通T占空比，有如下關系： ?1 .（1-3 ）因此式（ 1-2 ）可表示為 :U o1 E1E .（1-4 ）1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 ?4. 設計的內容：4.1 主電路的選擇與計算過程1）輸出電壓：1U dU 01 D.(1-5)2）輸出電流：3）負載阻值：U20RP0(1-6).4）紋波電壓：5）電容：6）電感：直流電源參數設置為24V，占空比取 30%。4.2 控制電路的選型與計算過程因為設計課題要求，所以選用555 作為 PWM發生芯片來進行連續控制。8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為 518V表

10、示；從分壓器上看出， 上比較器A1的腳接在 R1 和 R2之間，所以 5腳的電壓固定在 2UCC/3上；下比較器 A2接在 R2與R3之間， A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態受觸發器控制，而觸發器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當觸發器接受上比較器2腳輸入的高電平時，觸發器被置于復位狀態，3腳輸出低電平； 2腳和 6腳是互補的， 2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于 1Ucc/3 ，此時 3腳輸出高電平。6 腳為閾值端，只對高電平起作用， 低電平對它不起作用， 即輸入電壓大于 2 Ucc/3 ，稱高觸發端，

11、3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即 2腳電位必須大于 1Ucc/3 時才有效。 3腳在高電位接近電源電壓 Ucc，輸出電流最大可打 200mA。4 腳是復位端，當 4腳電位小于 0.4V 時，不管 2、6腳狀態如何，輸出端 3腳都輸出低電平。5 腳是控制端。7 腳稱放電端，與 3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以 3腳稱為實高（或低）、 7腳稱為虛高。4.2.2 NE555 工作原理555 電路它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2 的反相輸入端的

12、參考電平為?2/3VCC?和 1/3VCC。A1與 A2 的輸出端控制 RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號自 6 端輸入并超過參考電平 2/3?VCC時，觸發器復位， 555 的輸出端 3 端輸出低電平，同時放電開關管導通。取占空比 DRA0.3 ，RA RB頻率取 f15Hz, 則 3RB7RA ,由 TRACLn 2 RB CLn2(取 C0.01uF ) , 得：RA73RA10；RA3K, RB7K4.3 帶 tlp250光耦合器的驅動電路的選型4.3.1 tlp250引腳圖及引腳因為主電路電壓均為高電壓、大電流情況，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提

13、高系統抗干擾措施，可采用帶光電隔離的 MOSFET驅動芯片 TLP250 。光耦 TLP250 是一種可直接驅動小功率 MOSFET和IGBT 的功率型光耦，由日本東芝公司生產，其最大驅動能力達 1 . 5 A 。選用 TLP250 光耦既保證了功率驅動電路與 PWM脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動 MOSFET的能力，使驅動電路特別簡單。4.4 繪制原理圖和 PCB4.4.3 555電路圖4.4.4光耦 tlp250原理圖4.5 列出元器件的規格、型號和明細表器件名稱規格型號個數（個）保險絲1.5AF1.5AL2501保險絲座2船型開關10A/250VAC1電解電容50V/470uf

14、1電解電容50v/220UF140 芯彩色扁平電纜若干線1.5 方多股電纜（紅）若干1.5 方多股電纜（黑）若干1.5 方多股電纜（黃）若干獨石50V/0.1uf1045獨石50V/0.01uf1035MOSFETIRF530N1快恢復二極管MBR101501穩壓管5.1V1二極管IN40042高速光耦TLP2501功率電感1mH2電阻1K,3K,100 ，各 1 個10K滑動變阻計2K1大功率可調線繞電阻200RXG20-T-50W1控制芯片 NE555NE5551接插件2EDG-5.08-2P48 腳圓孔 IC 插座2開關穩壓電源120W,24V1單相三線電源線14 插位帶獨立觸點開1關

15、3 米插線板ACDC輔助電源12V， 1A1ACDC輔助電源5V, 1A14.6PCB實物制作和調試過程調試時可分為三個模塊進行：1、555 脈沖產生模塊測試： 這是測試控制回路的最基本要求，分別測試脈沖波形、頻率與幅值，并通過調節電位器改變占空比。2、光耦隔離器觸發脈沖測試：光耦隔離器TPL250為 MOSFET管的驅動模塊，其產生一個高電平為7V 和一個低電平為 -5V 的驅動脈沖，頻率與555 脈沖一致。3、主回路負載兩端輸出測試：負載兩端的電壓波形與仿真一致，輸出電壓結果與計算結果和仿真一致，調節不同占空比可得到不同脈振率的輸出電壓波形。1）實際電路 MOSFET觸發脈沖波形為方波 ；

16、2）實際輸出電壓值：器件名稱理論值實際值主電路電容11.3uF220uF主電路電感96uH2mHNE555實際電路電阻 RA3K1.3KNE555實際電路電阻 RB7K4.7K4.7 實驗結果分析和處理在做完板子進行測試時發現控制電路輸出脈沖的頻率太低，低于5KHZ，使得主電路中的電感容易燒壞，便對控制電路中電阻RA和 RB進行修改，使得最終輸出的頻率達到 10KHZ以上。盡管如此，但是在測試主電路時發現電感還是還是容易發燙，并且正常工作一段時間后燒掉， 于是便上網查閱相關資料發現是我們用的理論計算值220UH的電感太小，便對電感進行更換，換成1MH的電感后雖然不會很快燒掉，但是還是會發燙得厲

17、害。后面想再加大電感，但是實驗室里面沒有合適的電感，再大一些的就剩10MH的電感，但會使電壓降低的太厲害，于是我們想到的處理辦法是用兩個1MH的電感進行串聯，最后才使得主電路可以正常工作。通過這次實驗結果分析得出的結論是按照本次實驗的要求做的升壓電路中電感的值應取23MH，負載兩端的電容應取470UF，并且為使輸出的波形毛刺少些，可在輸出端加幾個104、103 的濾波電容。5. 心得體會經過一番深刻的探究后，我們小組最終選擇了難度適中的升壓斬波電路設計。原本我們也曾考慮過反激電路的設計，但由于其設計過程和設計工藝對于我們來說過于復雜，而且缺乏理論知識的支撐，使課程設計結果可能不盡人意，所以放棄

18、該課題的設計實驗。選定明確的課題任務以后，第一步，我們開始集合小組各個成員的力量，并分配各個成員的任務。通過各個渠道收集升壓斬波電路各元件的計算公式，和NE555觸發器的原理圖，了解其各個引腳的工作方式以及運用NE555觸發的控制電路的相關信息。之后，成員之間進行了相互討論和推敲，得到令人滿意的計算結果，再結合老師所給的參考信息，最終選定了控制電路及主電路的電感、電容和電阻等器件的型號。第二步，進行仿真電路的仿真，仿真軟件包括MATLAB、PROTEL及 PROTUES。由于在之前的電力電子課程中， 老師已經提前教我們入門如何使用matlab 進行一些簡單的仿真以及 protel的入門使用，我們對于軟件的使用便沒有那么生疏了。通過小組成員之間的相互合作，仿真過程進行的相當順利，其結果也相當令人滿意，得出理想的設計方案。最后一步，我們終于動手開始制作電路板，然后進行電路調試。在調試的其中我們也遇到了很多的問題，其中在調試555 時基電路中示波器的接地觸頭放在 12V 電源的接地端，會發現示波器不會輸出波形，而放在5V 電源的接地端則可以得到很不錯的波形，關于這個問題，我們也很難理解。在主電路的調試過程中，起初我們使用 220uH的電感，把保險絲直接燒毀，之后換了 1mH的電感保險絲扔被燒毀，我們發現 24v 供給電源的輸出額定電流有 14.6A, 就認為可能是由于