課程設計匯報

課題名稱：直流斬波電路日勺設計

電力電子技術課程設計任務書

系：電氣與信息工程系年級：專業：自動化

指導教師姓名學生姓名

課題名稱直流斬波電路日勺設計

一、設計任務和規定

（1）熟悉整流和觸發電路的基本原理，可以運用所學的理論知識分析設計任

務。

（2）掌握基本電路的數據分析、處理；描繪波形并加以判斷。

（3）能對的設計電路，畫出線路圖，分析電路原理。

（4）廣泛搜集有關資料。

內（5）獨立思索，刻苦專研，嚴禁抄襲。

（6）準時完畢課程設計任務，認真、對於W、J書寫課程設計匯報。

容二、設計內容

（1）明確設計任務，對所要設計地任務進行詳細分析，充足理解系統性能，

及指標規定。

（2）制定設計方案。

任（3）迸行詳細設計：單元電路H勺設計；參數計算；器件選擇；繪制電路原理

圖。

務（4）撰寫課程設計匯報（闡明書）：課程設計匯報是對設計全過程口勺系統總

結。

三、技術指標

斬波電路輸出電壓為100±5V,直流降壓斬波電路輸入電壓為直流流200V,

直流升壓斬波電路輸入電壓為直流50V。脈沖周期為50US（降壓）40uS（升壓），

脈沖信號占空比可以通過SG3525調整。

進起止日期設計內容

度6.1分析設計任務，確定元件參數、指標

安6.1用Multisim進行仿真，Protel繪制硬件電路圖

排6.2撰寫設計匯報

答辯

成績

指導

教師

評閱

意見

摘要

直流斬波電路口勺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/DCConverter）,直流斬波電路一般是指直接將直流

變成直流的狀況，不包括直流-交流-直流的狀況；直流斬波電路的種類諸多：降

壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。此外尚有升降壓斬波電路，

Cuk斬波電路，Scpic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，變化ton）和頻率調制方式（ton不變，變化Ts）。本設計是基

丁SG3525芯片為關鍵控制的脈寬調制方式的力壓斬波電路和降壓斬波電路，設

計分為Mullisim仿真和Protel兩大部分構成。Multisim重要是仿真分析，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，運用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分

析多種輸出成果。第二部分是硬件電路設計，它通過Protel等軟件設計完畢。

關鍵字：直流斬波；PWM；SG3525

目錄

1直流斬波主電路的設計..............................................

1.1直流斬波電路原理............................................

直流降壓斬波電路......................................

直流升壓斬波電路......................錯誤!未定義書卷。

1.2主電路的設計.................................錯誤!未定義書簽。

直流降壓斬波電路......................錯誤!未定義書簽。

直流降壓斬波電路參數計數..............錯誤!木定義書簽。

直流升壓斬波電路......................錯誤!未定義書簽。

直流升壓斬波參數計算..................錯誤!未定義書簽。

2觸發電路設計....................................錯誤!未定義書簽。

2.1控制及驅動電路設計..........................錯誤!未定義書簽。

PWM控制芯片SG3525簡介.............錯誤!未定義書簽。

SG3525內部構造及工作特性.............錯誤!未定義書簽。

觸發電路...............................錯誤!未定義書簽。

2.2系統總電路圖.................................錯誤!未定義書簽。

3電路仿真.........................................錯誤!未定義書簽。

3.1觸發電路的仿真................................錯誤!未定義書簽。

Multisim仿真電路時建立................錯誤!未定義書簽。

觸發電路時仿真成果及分析..............錯誤!未定義書簽。

3.2直流降壓斬波電路的仿真及分析...............錯誤!未定義書簽。

3.2.1Multisim仿真電路的建立...............錯誤!未定義書簽。

3.2.2直流降壓斬波電路仿真成果及分析........錯誤!未定義書簽。

3.3升壓斬波電路仿真...........................錯誤!未定義書簽。

3.3.1Multisim仿真電路的I建立...............錯誤!未定義書簽。

3.3.2直流升壓斬波電路仿真成果及分析........錯誤!未定義書卷。

4總結與體會......錯誤!未定義書卷。

參照文獻.............................................錯誤!未定義書卷。

1直流斬波主電路的設計

1.1直流斬波電路原理

1.1.1直流降壓斬波電路

直流降壓變流器用于減少直流電源的電壓，使負載側電壓低于電源電壓，其

原理電路如圖1-1所示。

在開關器件V導通時,

有電流經電感L向負載供電，在V

關斷時，電感L釋放儲能，維持負

載電流，電流經負載和二極管VD形圖1“直流降壓斬波電路原理圖

成回路。調整開關器件V的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓日勺大小。

負載側輸出電壓的平均值為:

—&—E=^-E=aE

U。(1-1)

%+蜀T

式中T為V開關周期，蹴為導通時間，為占空比。

Uo最大為E,減小a,Uo隨之減小——降壓斬波電路。也稱為Buck變換器(Buck

Converter)o

負載電流平均值為：

/Uo-Em(1-2)

10R

電流斷續時，uo平均值會被抬高，一般不但愿出現。

根據對輸出電壓平均值進行調制日勺方式不一樣，斬波電路可有三種控制方式：

(1)保持開關周期T不變，調整開關導通時間總,稱為PWM(PulseWidth

Madula-tion)或脈沖調寬型。

(2)保持開關導通時間4n不變，變化開關周期T,稱為頻率調制或調頻型。

(3)J和T都可調，使占空比變化，稱為混合型。

1.2.2直流升壓斬波電路

直流升壓變流器用于需要提高直流電壓日勺場所，其原理圖如圖1-2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，

電感L儲能；當V關斷時，電

感產生日勺反電動勢和直流電源電壓

方向相似互相疊加，從而在負載側圖1?2直流升壓斬波電路原理圖

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。調整

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：

TJ—'on+'offp—丁莉

口。_,力（1-3）

‘off"off

式中T為V開關周期，公為導通時間，％為關斷時間。升壓斬波電路之因此能使

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處在通態期間因

電容C的作用使得輸出電壓U。不變，但實際上C值不也許為無窮大，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理論所得成果，

不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽視。

1.2主電路的設計

1.2.1直流降壓斬波電路

直流降壓斬波主電路圖如圖1-3所示。

圖1-3直流降壓斬波主電路

1.2.2直流降壓斬波電路參數計數

設計降壓斬波電路中，直流降壓變壓器電源電壓E=200V,負載電阻R=10

。，試選L=2mH,T=50uS,%「25uS。根據判斷電流斷續的條件:

-1

m>——(1-4)

ep-1

LT

T=—=0.0002,p=—=0.1,tzp=0.05

ap_]

^^=0.487>m(1-5)

epti

所有所選L符合規定，電流不停續。

全控型器件選擇SiliconNChannelMOSFET2SK307L,其重要參數如下:

關斷頻率：f=lMHz

乙60ns(1-6)

，“如=550ns(1-7)

I戶A(1-8)

%s=40V(1-9)

V(1-10)

VGss=\^

2SK307口勺參數符合設計規定。

理論計算降壓后輸出成果:

TJ=-^E=100V

-orji(1-11)

J=^=10A

(1-12)

loR

1.2.3直流升壓斬波電路

直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4所示。

D4

L2

2mHw

-------ER3

-50V&FETN10

30mF

圖1-4直流升壓斬波主電路

1.2.4直流升壓斬波參數計算

設計降升斬波電路中，直流升壓變壓器電源電壓E=50V,負載電阻R=10Q,

試選L=2mH,T=40"￡“=20uS。C=3()mF根據判斷電流斷續日勺條件:

.-pp

m>[~e(1-13)

x-e"

其中a+B=l,經計算可知所選元件參數符合規定，在此升壓斬波電路中電流不

停續。

全控型器件同直流降壓斬波電路同樣選擇SiliconNChannelMOSFET

2SK307L,參數在此不在贅述。

理論計算升壓后輸出成果：

u=-^—E=\00V/…、

u°\-a(1-14)

Z=^=10V(1-15)

ioR

2觸發電路設計

2.1控制及驅動電路設計

2.1.1PWM控制芯片SG3525簡介

SG3525A系列脈寬調制器控制電路可以改善為多種類型區|開關電源的控制

性能和使用較少日勺外部零件。在芯片上日勺5.1V基準電壓調定在±1%,誤差放大

器有一種輸入共模電壓范圍。它包括基準電壓，這樣就不需要外接日勺分壓電阻器

了。一種到振蕩器日勺同步輸入可以使多種單元成為從電路或一種單元和外部系統

時鐘同步。在CT和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區時間進行大范圍的I

編程。在這些器件內部尚有軟起動電路，它只需要一種外部的I定期電容器。一只

斷路腳同步控制軟起動電路和輸出級。只要用脈沖關斷，通過PWM(脈寬調制)

鎖存器瞬時切斷和具有較長關斷命令日勺軟起動再循環。當VCC低于標稱值時欠

電壓鎖定嚴禁輸出和變化軟起動電容器。輸出級是推挽式日勺可以提供超過

200mA的I源和漏電流。SG3525A系列的NOR(或非)邏輯在斷開狀態時輸出為

低。

?工作范圍為8.0V到35V

-5.1V±1.()%調定日勺基準電壓

?l(X)Hz到400KHZ振蕩器頻率

?分立日勺振蕩器同步腳

2.1.2SG3525內部構造及工作特性

(1)基準電壓調整器

基準電壓調整器是輸出為5.1V,50mA,有短路電流保護的電壓調整器。它

供電給所有內部電路，同步又可作為外部基準參照電壓。若輸入電壓低于6V時,

可把15、16腳短接，這時5V電壓調整器不起作用。

(2)振蕩器

3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增長了放電7、同步端3。RT限值決定

了內部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。

把充電和放電回路分開，有助于通過RD來調整死區的時間，因此是重大改善。

這時3525A的振蕩頻率可表為:

1

C(O.7R+3R)

TTD(2-1)

(3)SG3525的內部構造

SG3525日勺內部構造如圖2-1所示。

Vref

Vcc

Ground

OSC.Output

Sync

RT

CT

Discharge

Compens&tion

IMV.input

Noninv.input

Soft-Start

Shutdown

圖2TSG3525的引腳以及內部框圖

在直流降壓斬波電路中可以通過調整2腳接口勺電阻值變化輸出脈沖信號日勺

占空比，根據求頻率f的公式計算出SG3525外接元件參數如下:

G=o.oi"(2-2)

R『=7.Q(2-3)

凡=1℃(2-4)

2.1.3觸發電路

MOSFET驅動電路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦

驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計H勺電路采用日勺是專用

集成塊驅動電路。

MOSFET驅動電路分析伴隨微處理技術的發展（包括處理器、系統構造和存

儲器件），數字信號處理器以其優越日勺性能在交流調速、運動控制領域得到了廣

泛日勺應用。一般數字信號處理滯構成日勺控制系統，MOSFET驅動信號由處理器

集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與MOSFET日勺接口電路

的設計直接影響到系統工作日勺可靠性。因此本文采用SG3525設計日勺光耦驅動電

路是一種可靠的MOSFET驅動方案。SG3525的）光耦驅動電路如圖2-2所示。

圖2-2MOSFET觸發電路圖

2.2系統總電路圖

系統總日勺電路圖如圖2-3所示

升壓電路:“日，=降壓電路.

圖2?3系統總電路圖

3電路仿真

3.1觸發電路的仿真

3.1.1Multisim仿真電路的建立

在Multisim中用元件PWMVM替代PWM控制芯片SG3525,PWMVM

的外接電路如圖3-1所示，根據仿真電路圖原理通過變化R7的大小可以變化脈

沖占空比，變化脈沖的占空比就是對脈沖的寬度進行調制，即構成脈沖寬度控制

器，通過占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。

G2..........................

-IF——

1.3nF

?C3,??，R5,U3

-8-

—irCCMP-???<JUT?■0,,

FB.......................GXD

7,嬴2皿I5EX5E-????

"PWMVMT1

9REF=1.2IMAX=2

DUTYM)N=O1O1：：

：：：：：：R6：：：：：

-------------VsA-------

：：：：：：1kQ：：12

-C4…

=：47DhF

0BZ：：：：：：：：

ABvl-}ABMCURRENT

0

圖3?1觸發電路模擬仿真圖

3.1.2觸發電路的仿真成果及分析

在Multisim中對觸發電路進行仿真，根據PWMVM控制原理可知，當

R7=10K。時，占空比為90%,仿真成果如圖3-2所示：當R7=50K。時,

占空比為50樂仿真成果如圖3-3所示。

圖3-2R7=10KQ時觸發脈沖波形圖

圖3-3R7=50KQ時觸發脈沖波形圖

3.2直流降壓斬波電路的仿真及分析

3.2.1Multisim仿真電路時建立

根據直流降壓專流器原理圖建"專流器的Multisim仿直模型如圖3-4所示。

圖3?4降壓斬波電路模型

在模型中采用了MOSFETMOSFET的驅動信號由脈沖發生港產生，設定脈

沖發生器的脈沖周期為5()uS和脈沖寬度可以調整脈沖占空比為50%,直流降

壓變流器電源電壓E=20()V,輸出電壓4=1OOV,電阻負載為10Q,電感L=2mH。

用示波器觀測輸出波形和二極管兩端電壓波形，用直流電壓分別檢測輸出電壓和

負載電流。

3.2.2直流降壓斬波電路仿真成果及分析

脈沖信號波形和輸出電壓波形如圖3-5,脈沖信號波形和二極管兩端的電壓

波形如圖3-6。.

圖3-5輸出波形圖

圖3-6二極管電壓波形圖

由圖3-5分析可知觀測成果同理論值相符，誤差在容許范圍內。所設參數滿

足降壓規定不過電壓的波動很大。修改電感參數進行多次仿真，可發現增大電感

可以減少輸出電壓的脈動，但電壓到達穩定的時間被延遲。由圖3-6分析可知二

極管在MOSFET導通關斷此時電壓等于電源電壓E,在MOSFET關斷是導通

起續流的作用此時電壓等于0。

3.3升壓斬波電路仿真

3.3.1Multisim仿真電路時建立

根據直流升壓壓變流器原理圖建立變流器的Multisim仿真模型如圖3-7所示。

圖3-7升壓斬波電路模型

在圖3-7升壓斬波電路模型中采用了MOSFET,MOSFET的驅動信號由掠沖

發生器產生，設定脈沖發生器的脈沖周期為40US和脈沖寬度可以調整脈沖占空

比為50%,直流降壓變流器電源電壓E=50V,輸出電壓U”100V,電阻負載為

10。，電感L=2mH,電容C=30mF。用示波器觀測輸出波形和二極管與電容兩

端電壓波形，用直流電壓分別檢測輸出電壓和負載電流。

3.3.2直流升壓斬波電路仿真成果及分析

脈沖信號和輸出電壓波形如圖3-8和3-9所示，脈沖信號波形和二極管與電

容兩端的波形如圖3-10所示。

T2-T1-21.645ms0.000V-52.079V

Timebase「ChannelA—?ChannelB

圖3?8輸出電壓波形仿真開始

TimeChamel_AChannel_B

169.975ms20.000V99.935V

158.953ms0.000V103.540V

-11.022ms-2C.OOOV