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1、 电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计 题 目： 直流降压斩波电路的设计 专 业： 电气自动化 班 级： 14 电气 姓 名： 周方舟 学 号： 指导教师： 喻丽丽 目 录 一 设计要求与方案4 二 设计原理分析4 2.1 总体结构分分析 4 2.2 直流电源设计5 2 3 主电路工作原理 6 2.4 触发电路设计10 2.5 过压过流保护原理与设计15 三仿真分析与调试17 3.1 Matlab 仿真图17 3.2 仿真结果18 3.3 仿真实验结论24 元器件列表24 设计心得25 参考文献25 致 谢26 一设计要求与方案一设计要求与方案 供电方案有两种选择。一，线性直流电源。线性电
2、源（Linear power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电 路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电 压。要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电源进行稳压。线性电源 体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公 共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压。二，升压斩波电路。由脉 宽调制芯片 TL494 为控制器构成 BOOST 原理的，实现升压型 DC-DC 变换 器，输出电压的可调整与稳压控制的开关源是借助晶体管的开/关实现 的。因此选择方案二。 设计要求设计要求：设计要求是输出电压 Uo=220V 可调的 DC/DC 变
3、换器，这里 为升压斩波电路。由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前 所学模拟电路知识可以由整流器解决。MOSFET 的通断用 PWM 控制， 用 PWM 方式来控制 MOSFET 的通断需要使用脉宽调制器 TL494 来产 生 PWM 控制信号。 设计方案：设计方案： 1、电源电路 电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路， 220V 单相交流电经 220V/24V 变压器，降为 24V 交流电，再经二极管不控整流电路及滤波电 容滤波后，变为平直的直流电，其幅值在 22V36V 之间。 2、主电路 2.1 主电路选用升压斩波电路，开关管选用电力 MOSFET。 2.2Boost 电路的
4、负载为 110V、25W 白炽灯， 2.3boost 电路中，占空比不要超过 65%，否则电压大于 100V。 3、控制电路的选择与确定 3.1 脉冲发生器 TL494 3.2 驱动电路 IR2110 二设计原理分析二设计原理分析 21 总体结构分析 21 总体结构分析 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路 组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控 制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因 此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和 保护电路这些
5、环节。 直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制 和驱动电路及保护电路组成。如图 21 所示： 电源 变压器 电源 变压器 整流 电路 整流 电路 升压 斩 波 电 路 升压 斩 波 电 路 滤波 电路 滤波 电路 控制和驱动电路控制和驱动电路 保护电路保护电路 图(2-1) 2.2 直流电源设计2.2 直流电源设计 小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成， 其原理框图如图 2.1 所示： 图 2.1 在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电 压变换成脉动的直流电压。 滤波电路一般由电容组成， 其作用是把脉动直流电 2 U
6、3 U 压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。与交流电压的 3 U I U I U 2 U 有效值的关系为：；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向 2 )2 . 11 . 1 (UUI 电压为：；流过每只二极管的平均电流为： 2 2UURM R UI I R D 2 45 . 0 2 整流电路设计如下： U2 RLUo45V - 220V C T - - 图（2-3） 2.3 主电路工作原理2.3 主电路工作原理 假设 L 和 C 值很大。V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，电流恒 定 I1，电容 C 向负载 R 供电，输出电压 Uo 恒定。 V 处于断态时，电源 E
7、和电感 L 同时向电容 C 充电，并向负载提 供能量。 图（2-4） 首先假设电路中电感和电容值都足够大。当可控开关 S 处于导通状 态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I1,同时电容 C 上的 电压向负载 R 供电。 因为电容 C 的值很大， 基本保持输出电压 U0 为恒值。 设 S 处于导通的时间为ton，此阶段电感 L 上积蓄的能量为： onE tI1 当 S 处于断态时，E 和 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 提供能量。 设 T 处于断态的时间为 toff，则在此期间电感释放的能量为： off1s0t)IVU( 稳态时，一个周期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相
8、等 化简得： 以上为升压斩波电路的工作原理。 offoon tIEUtEI 11 E t T E t tt U offoff offon o 电 感的选择 根据电感最大贮能值 0. 5 L I I 确定电感峰值电流 Imax = Io + 2 VoToff / L（Toff 为关断时间）,匝数 N 应进行取整， 当匝数少电流大 时，应尽量避免取半匝的情况。经计算后选取电感量为 10 mH,电容为 4 700F。 off t x t 1 t 2 t O O i o u t t T off t on t 2 i1 i E 10 I 20 I 10 I O O i o u t t T on t 2
9、i 1 i E 20 I 图 2-5 电流连续图 2-6 电流断续 当 MOSFET 处于导通时，得 1 1M di LRiE dt 设 1 i 的初值为 10 I ，解上式得 110 1 tt M E iI ee R 当 MOSFET 处于关断时，设电动机电枢电流为，得 2 i 2 2M di LRiEE dt 设的初值为，解上式得 2 i 20 I 220 1 onon tttt M EE iI ee R 当电流连续时，从图 2-6 的电流波形可看出，=时刻=t on t 1 i ，=时刻=，由此可得 20 ItT 2 i 10 I 2010 1 onon tt M E II ee R f
10、foff 1020 1 o tt M EE IIee R 故由上两式求得： off 10 11 1 1 t M T EeEeE Im RReR e on 20 1 1 tT M T EeeEeeE Im RReR e 把上面两式用泰勒级数线性近似，得 1020 () E IIm R 该式表示了 L 为无穷大时电枢电流的平均值，即 o I () M o EEE Im RR 当电流断续时的波形如图 2-6 所示。 当=0 时刻 =0， 令式 t 1 i 10 I （1-10）中=0 即可求出，进而可写出的表达式。另外，当= 10 I 20 I 2 it 时，=0，可求得持续的时间，即 2 t 2
11、i 2 i x t on n 1 l 1 t x me m t 当时，电路为电流断续工作状态，是电流 offx tt offx tt 断续的条件，即 1 1 e m e 根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的 依据。 2.4 触发电路的设计触发电路的设计 TL494CN 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需 的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。 TL494 有 SO-16 和 PDIP-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。其 主要特性如下： 1.集成了全部的脉宽调制电路。 2.片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电
12、阻和一个电 容）。 3.内置误差放大器。 4.内止 5V 参考基准电压源。 5.可调整死区时间。 6.内置功率晶体管可提供 500mA 的驱动能力。 7.推或拉两种输出方式。 1TL494 引脚图1TL494 引脚图 图（2-7） TL494工作原理简述TL494工作原理简述 TL494的内部电路由基准电压产生电路、 振荡电路、 间歇期调整电路、 两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其中1、2脚是 误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为死 区时间比较器， 具有120mV的输入补偿电压， 它限制了最小输出死区时间 约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大
13、输出占空比为96%，而输出 端接参考电平时， 占空比为48%。 当把死区时间控制输入端接上固定的电 压（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。5、6 脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容， 5脚可以产生锯齿波， 所产生的锯 齿波稳定，线性度好；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内 部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输 出控制端，控制TL494的输出方式，该脚接地时，两路输出晶体管同时导 通或截止，形成单端工作状态，可以用于提高输出电流；接14脚时为推 挽输出方式，为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误 差放大
14、器II的反相和同相输入端。 TL494内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和 一个电容进行调节, 其振荡频率为: 输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制 信号进行比较来实现。 功率输出管 Q1 和 Q2 受控于或非门,当 13 脚控制 信号为高电平时,调制脉冲交替输出至两个输出晶体管 Q1 和 Q2 ,输出频 率等于脉冲振荡器的一半。当 13 脚控制信号为低电平时,芯片工作于单 端状态,功率输出管Q1和Q2 均由或非门的前一级与门控制,为得到更高 的驱动电流输出,可将 Q1 和 Q2 并联使用。 当双稳触发器的时钟信号为 低电平时才会被选通，即只有在锯
15、齿波电压大于控制信号期间才会被选 通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误 差放大器的输入端。 TL494 内部电路方框图TL494 内部电路方框图 图 （2-8）基于 TL494 的脉冲发生器 TL494 电路设计电路设计 图（2-9） 电力场效应晶体管 MOSFET电力场效应晶体管 MOSFET 随着信息电子技术与电力电子技术在发展的基础上相结合，形成了高频 化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，其典型代表就是 电力场效应晶体管 MOSFET 1.电力场效应晶体管特点 电力场效应晶体管简称电力 Power Mosfet。 特点是用栅极电压来 控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作 频率高， 热稳定性好。 但是电流容量小， 耐压低， 一般适用于功率不超 过 10kW 的电源电子装置。 2.MOSFET 的结构和工作原理 电力 MOSFET 的种类按导电沟道可分为 P
