1、信息工程學院電力電子學課程設計報告書題目: 升壓斬波電路設計 專 業： 電子信息科學與技術 班 級： 0309412 學 號： 030841004 學生姓名： 王哲 指導教師： 鐘建偉 2012 年 05 月 09日信息工程學院課程設計任務書學生姓名王哲學 號030841004成 績設計題目升壓斬波電路設計設計內容直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.直流波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT

2、 在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。本次需要設計一個升壓斬波電路，并符合下面的設計要求。設計要求1、輸入直流電壓：Ud=40V2、開關頻率100KHz3、輸出電壓范圍80V-120V4、輸出電壓紋波：小于1%5、最大輸出電流：5A6、具有過流保護功能，動作電流：6A7、具有穩壓功能8、效率不低于70%時間安排2012-5-92012-5-11參考資料1陳堅. 電力電子學電力電子變換和控制技術（第二版）北京：高等教育出版社，20042王兆安，劉進軍電力電子技術（第5版）.北京：機械工業出版社，2009.53林飛，杜欣. 電力電子應用技術的MATLAB仿真.北京:中國電力

3、出版社，20084 趙良炳現代電力電子技術基礎北京：清華大學出版社，19955賈好來. EXB841對IGBT的過流保護研究. 太原理工大學學報，1007-9432(1999)06-0610-046 紀相普,于諒.基于SIMULINK的BUCK型PFC裝置仿真 上海大學學報(自然科學版) 1007-2861(2001)05-0461-04目 錄目 錄2摘 要31 設計任務與方案41.1設計任務41.2設計方案42 總體設計52.1 主電路設計5原理分析5參數計算62.2 保護電路73 SimPowerSystem仿真83.1仿真波形9占空比為50%9占空比為58.33%10占空比為66.67%

4、103.2 結果分析114 總結12參考文獻13附錄：14仿真報告14元器件清單15摘 要直流斬波電路（DC Chopper）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（DC Chopper）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，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。本設計為升壓斬波電路Boost Chopper。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

5、用作單相功率因數校正（Power Factor Correction,PFC）電路，三是用于其它交直流電源中。關鍵詞：DC/DC Converter；直流斬波；升壓；Boost Chopper；典型應用。1 設計任務與方案1.1設計任務要求設計一個輸入直流電壓：Ud=40V、開關頻率100KHz、輸出電壓范圍80V-120V、輸出電壓紋波：小于1%、最大輸出電流：5A、具有過流保護功能，動作電流：6A、具有穩壓功能、效率不低于70%的升壓斬波電路，以滿足課程設計的要求。1.2設計方案由于升壓斬波電路可以將任意可調的直流電轉換為穩定的另一直流電壓，也可以將任一穩定的直流電壓轉換為可調范圍輸出，根

6、據題目要求，主電路采用Boost Chopper。通過合適的選取電阻和電感的大小并采用調節占空比的方法調節輸出電壓的大??；通過合適的選取電容的值達到紋波指標，同時穩定輸出的電壓。另外加上合適的過流保護電路防止器件的損壞。電路圖如下所示：圖1：直流升壓斬波電路圖2：過流保護電路 2 總體設計2.1 主電路設計2.1.1原理分析電路結構和升壓原理：圖3：Boost變換器電路為了獲得高于電源電壓的直流輸出電壓，一個簡單而有效的辦法是在變換器開關管前端插入一個電感L，如圖3(a)所示。在開關管T關斷時，利用圖3(c)中電感線圈L在其電流減小時所產生的反電動勢（在電感電流減小時，為正值）與電源電壓串聯相

7、加送至負載，則負載就可獲得高于電源電壓的直流電壓。圖3(a)就是在這一思想啟發下，利用一個全控型開關管T和一個續流二極管加上電感、電容構成的直流直流升壓變換器BoostDC/DC 變換器。BoostDC/DC變換器是輸出直流電壓平均值高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，圖3(a)中，Boost變換器中電感L在輸入側，稱為升壓電感。開關管T仍為PWM控制方式，和Buck變換器一樣，Boost變換器也有電感電流連續和斷流兩種工作方式，圖4(e)和(f)給出了這兩種工作方式下的主要波形圖。圖3(b)、(c)、(d)為Boost變換器在不同開關狀態時的等效電路。當電感電流連續時，Boost變換器存在兩

8、種開關狀態，如圖3(b)和(c)所示；而當電感電流斷流時，Boost變換器還有第三種開關狀態，如圖3(d)所示。圖4 Boost變換器主要波形2.2.2參數計算這里取=0.5A，=5A.根據設計要求，需要將電感電流工作在連續狀態，由式得到。當=80V時，D=0.5；當=120V時，D=0.667。即占空比的變化范圍是0.50.667。臨界負載電流 ：D=1/3時，有最大值。這里取最接近的D=0.5。令最小負載電流大于臨界負載電流，則：，代入題目要求的值，取=120V，可算出.這里可取大一點的值，取1.2倍大小，令。驗算：當，D=0.5時，算出臨界負載電流為：=0.42A<=0.5A。確保

9、了電感電流連續，符合設計方案初衷?？扇。奢敵黾y波要求，可進一步計算出.為留一定裕量，取C=。驗算：當C=，D=0.5時，時：，滿足設計要求。2.2 保護電路電力電子變換和控制系統運行不正常或發生故障時，可能會發生過電流，造成開關器件的永久性損壞。過電流在過載和短路兩種情況下發生。圖5給出電力電子變換器系統中常采用的過電流保護措施及各種保護的配置位置。通常電力電子變換器系統均同時采用幾種過流保護措施，以確保保護的可靠性和合理性。所選擇的幾種過流保護措施應相互協調配合，各盡所能。通常選用電子保護作為延時最短、但動作閾值最高的一級保護，當電流傳感器檢測到過電流值超過動作電流整定值時，電子保護電路輸

10、出過流信號，封鎖驅動信號，關斷變換器中的開關器件，切斷過流故障。圖5 過流保護措施及保護配置3 SimPowerSystem仿真Boost變換器仿真圖如下（使用Matlab Simulink）： 說明：鑒于加入過流保護電路會較為復雜，這里沒有繪制過流保護電路，僅對主電路部分進行仿真且不會影響到仿真結果。圖6：占空比為50%時，輸出電壓最小值，平均為79.86V圖7：占空比為66.7%時，輸出電壓最大值，平均為119.6V3.1仿真波形參數配置：C=，；=40V，；占空比調節范圍：50%66.67%。電感電流工作在連續模式，通過調節占空比可以使的平均值在79.86V119.6V之間變化，且平均值

11、為4.98A。最大值分別可達到80V、120V和5A。示波器分別測量的是：采樣信號、電感的電壓電流、負載的電壓電流以及二極管和MOSFET兩端的電流。下面為具體仿真波形，已調節至觀察狀態。仿真時間為1s, 算法是ode23t。占空比為50%占空比為58.33%占空比為66.67%3.2 結果分析從以上不同占空比下的仿真波形圖可以看出，占空比的調解與輸出電壓的大小基本完全成正比，有很好的線性度。由于選擇的電容和電感的選擇均留有裕量，使得輸出電壓的波形穩定，觀察的紋波魚計算值一致，不到1%。輸出電流的最大值剛好是5A，最小的為3.15A，平均值值在這之間隨著占空比的增加而增大。在占空比為最大值0.

12、667時，電感電流以及MOSFET和DIODE的峰值電流均達到了15A。由于是在理想的環境中仿真，輸入的能量等于輸出的能量，見證了能量守恒。電路的最小輸出功率為266W，最大輸出功率為600W，輸入的仿真計算值為264W和600W，理想仿真環境下得到的效率基本為100%。綜上所述，各項性能指標均符合要求。加上保護電路后即可圓滿完成設計。4 總結通過本次設計，進一步熟練了MATLAB SIMULINK工具的使用，對于電力方面的模塊SimPowerSystem有了初步的了解和感性的認識。在贊嘆MATLAB功能強大的同時也發現自己的渺小，工具箱里的東西有很多是不會使用的。對WORD軟件和公式編輯器也

13、更加的熟悉，通過嚴格的格式要求，體會到了做設計的辛苦，更多的時間是花費在了整理文檔上。從開始拿到題目的不知所措，到后來一步步翻閱書籍、查找資料、研讀相關知識，到最后做出來，每一個過程都付出了辛勞和汗水，充滿了驚喜和冒險。剛開始由于思路加上計算上的錯誤，導致做了一天的無用功，讓我學會了每一步設計都需謹慎和認真，碰到問題學會解決問題的方法。由于之前都沒做過這方面的東西，在電路分析方面也沒多少經驗，現在發現電力電子是門很有用的學科，尤其在電力系統中擔任關鍵角色。分析方法和分析工具在很多領域都是相通的。在以后的學習中，我會注意這方面與其它學科之間的聯系的加強，提升思維上的層次、彌補自身的不足。參考文獻

14、1陳堅. 電力電子學電力電子變換和控制技術（第二版）北京：高等教育出版社，20042王兆安，劉進軍電力電子技術（第5版）.北京：機械工業出版社，2009.53林飛，杜欣. 電力電子應用技術的MATLAB仿真.北京:中國電力出版社，20084 趙良炳現代電力電子技術基礎北京：清華大學出版社，19955賈好來. EXB841對IGBT的過流保護研究. 太原理工大學學報，1007-9432(1999)06-0610-046 紀相普,于諒.基于SIMULINK的BUCK型PFC裝置仿真 上海大學學報(自然科學版) 1007-2861(2001)05-0461-04附錄：仿真報告SimPowerSyst

15、ems Report.generated by powergui,11-May-2007 17:46:04 Model : C:Documents and SettingsAdministrator桌面電力電子boost.mdl. 1 Steady-State Voltages and currents: States at 0 Hz : 6.0233e-015 V -> 'Uc_C ' 4.0000e-004 A -> 'Il_L ' 4.0000e+001 V -> 'Uc_snubber: Diode' Measureme

16、nts at 0 Hz : Sources at 0 Hz : 4.0000e+001 V -> U_DC Voltage Source Nonlinear elements at 0 Hz : 4.0000e+001 V -> U_Mosfet/Ideal Switch 4.0000e+001 V -> U_Diode -4.0000e+001 V -> U_Mosfet/Diode NONLINEAR ELEMENTS (system inputs): 0.0000e+000 A -> I_Mosfet/Ideal Switch 0.0000e+000 A -

17、> I_Diode 0.0000e+000 A -> I_Mosfet/Diode 2 Initial values of States Variables: 1 'Uc' C = 6.0233e-015 V 2 'Il' L = 4.0000e-004 A 3 'Uc' snubber: Diode = 4.0000e+001 V元器件清單Unit specified : OMU rlc matrix: Node_1 Node_2 Type R(ohms) L(mH) C(uF)/U(V) Branch# Block name-4

18、3 S 0 0 32 1 C 1 2 S 0 0.18 0 2 L 4 3 S 24 0 0 3 R 2 3 S 1e+005 0 0 4 snubber: Mosfet/Ideal Switch2 4 S 500 0 0.25 5 snubber: Diode Number of nodes: 4Number of branches: 5Number of transformers: 0Number of mutuals (inductive coupling): 0Number of Voltage sources: 1Number of current sources: 3Number of switches: 3 Source matrix: Node1 Node2 U/I Mag. Phase Frequency Type Block name (0/1) (V/A) (degrees) (Hz)-2 3 1 0 0 0 1 Mosfet/Ideal Switch2 4 1 0 0 0 3 Diode 3 2 1 0 0 0 3 Mosfet/Diode 1 3 0 40 0 0 21 DC Voltage Source Switch matrix: