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1、.电力电子技术课程设计报告电力电子技术课程设计报告题目：升压斩波（题目：升压斩波（boost chopper）电路设计）电路设计1目目 录录前言*2 MATlAB 仿真设计*6硬件实验*14参考文献*19附录一 设计任务书*20附录二 PROTEL简介*21附录三 MATLAB简介*24升压斩波电路（升压斩波电路（Boost Chopper）设计）设计一、前言一、前言21.Boost Chopper 工工作作原原理理：图 1.1 升压斩波电路图图 1.1 中 假设 L 值、 C 值很大， V 通 时， E 向 L 充电，充电电流恒为I1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压 uo为
2、恒值，记为Uo。设 V 通的时间为ton，此阶段L 上积蓄的能量为EI1tonV 断 时， E 和 L 共同向C 充电并向负载R 供电。设V 断的时间为toff，则此期间电感L 释放能量为offotIEU1稳态时，一个周期T 中 L 积蓄能量与释放能量相等 offoontIEUtEI11 化简得：EtTEtttUoffoffoffon o（ 1）1/offtT，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost 变换器offtT / 升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作，即 Ttoff。和导通占空比有如下关系：1（ 2）因此，式（ 1）可表示为EEUo111（ 3）3升压斩波
3、电路能使输出电压高于电源电压的原因：L 储能之后具有使电压泵升的作用， 电容 C 可将输出电压保持住。2.升升压压斩斩波波电电路路的的典典型型应应用用：1) 直流电动机传动2) 单相 功率因数校正（ Power Factor CorrectionPFC）电路3)用于其他交直流电源中4) 用于直流电动机传动时图 1.2 用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图a)通常用于直流电动机再生制动 时把电能回馈给直流电源b) 实际 L 值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态c)电机反电动势相当于图1.1 中的电源，此时直流电源相当于图 1.1 中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的
4、，因此不必并联电容器。电路分析基于 “分段线性 ”的思想进行解析V 处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式mERitiL11 dd（ 5） 式中 R 为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设 i1的初值为I10，解上式得4 t mt eREeIi1101（ 6） 当 V 处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： EERitiLm22 dd（ 7） 设 i2的初值为I20，解上式得： t mt eREEeIi1202 （ 8）用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：图 1.3 电流连续升压斩波电路波形图 1.4 电流断续升压斩波电路波形5当电流连续时，从图1.3 的电流波形可看出，t=to
5、n时刻i1=I20， t=toff时刻 i2=I10，由此可得：RE eemREee REITtmoff 111110（ 9） RE eeemREeee REITTtmon 1120（ 10） 把上面两式用泰勒级数线性近似，得REmII2010（ 11） 该式表示了L 为无穷大时电枢电流的平均值Io，即REE REmIm o（ 12） 对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为eem11（ 13） 根据此式可对电路的工作状态作出判断。3.设计目的设计目的1) 通过对Boost Chopper 电路的设计，掌握Boost Chopper 电路 的工作原理，综合运用所学知识，进行Boo
6、st Chopper 电路 和系统设计的能力。 2) 了解与熟悉Boost Chopper 电路拓扑 、控制方法。 3) 理解合掌握Boost Chopper 电路及系统的主电路、控制电路和保 护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。 4) 遇有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力64.设计内容及要求设计内容及要求对 Boosr Chopper 电路的主电路和控制电路进行设计。参数如下：直流电压E=50V，负载 中 R=20， L、 C 值极大，=30V设计要求： 1) 理论设计：了解掌握Boost Chopper 电路的工作原理，设计 Boost Chopper 电路的主电路和控制电
7、路。包括： a)IGBT 电流、电压额定的选择 b) 驱动、保护电路的设计 c)画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 d) 列出主电路所用元器件的明细表 2) 仿真实验：利用Matlab 仿真软件对Boost Chopper 电路主电 路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。 3) 实际制作：利用PROTEl 软件会出原理图，结合具体所用元器件 管脚数、外形尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB 印 刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。二、二、MATlAB 仿真设计仿真设计主电路原理图如图 2.1 所示其工作原理，前言中已说明，这里再补充说明电路中的几个模块。 1)IGBT 用理想的
8、方波发生器触发，周期设为 0.002s，最大值设为 10V，通过 调占空比来调输出电压。其保护电路，触发电路将在 protel 中实现。 2)示波器用来观察电感电流，电源电压波形和负载电压输出波形7图 2.1 主电路原理图仿真结果与分析仿真结果与分析1.要求输出电压为 100V, =20 的波形图 2.1 占空比为 50%，=20 时的波形要求输出电压为 100V,=30 时的波形图 2.2 占空比为 50%，=30 时的波形要求输出电压为 100 伏, =50 时的输出波形8图 2.3 占空比为 50%，=50 时的波形由仿真波形可看出，当占空比不变时，随着电压的增加，峰值电压逐渐减小，震荡
9、幅度减小，电路安全行，稳定性提高。1.占空比，一定，改变 LC 的取值，研究其对电路的影响，并求出最佳LC 组合占空比为 50%，=30V，L=10H,C=10F 时的波形： 3 3图 2.4 占空比为 50%，=30V，L=10H,C=10F时的波形 3 3占空比为 50%，=30V ，L=20H,C=20F 时的波形：- 3- 39图 2.5 占空比为 50%，=30V，L=20H,C=10F 时的波形 3 32.E、R、不变 L=10e-3H、=50%时，只调节电容 C 的值输出电压波形C=50e-3F 时输出波形10图 2.6 C=50e-3F ，L=10e-3H，=50%时的波形C=
10、2e-3F 时输出的波形图 2.7 C=2e-3F ，L=10e-3H，=50%时的波形3.E、R、的值不变 C=10e-3F、=50 时，只调节电感 L 的值输出电压11波形L=50e-3H 时的输出波形图 2.8 C=50e-3F ，L=50e-3H，=50%时的波形L=2e-3H 时的输出波形12图 2.9 C=50e-3F ，L=2e-3H，=50%时的波形4.E、R、的值不变L=10e-3H、C=10e-3F 时，调节占空比的输出电压波形占空比 =20%时输的波形13图 2.10 C=10e-3F ，L=10-3FH，=20%时的波形占空比 =50%时输的波形图 2.11 C=10e
11、-3F ，L=10-3FH，=50%时的波形占空比 =80%时输的波形14图 2.12 C=10e-3F ，L=10-3FH，=80%时的波形 由以上单一变量的仿真图形分析可得： 1) 占空比 越大负载输出电压越大，调节时间越长 2)电容 C 值越大峰值时间越大，第一个峰值越大 3) 电感 L 值越大峰值时间越大，调节时间越大 在实际中可根据项目的大小、设计的实际要求及成本的大小选取适当的电 感电容值，以达到设计的要求。 （可以在一些经验值附近选取电感电容值，滨进 行反复的试验最中确定自己需要的电感电容值）这里仅根据要有良好的直流稳定性和快速性，在 =50 时经过大量的仿真 实验选取的一组理想
12、的电容电感值，及其此时的输出波形。 经大量仿真结果比较分析可得，当 L =10e-3H、C=10e-3F 是波形的快速性和直 流稳定性比较理想。此时波形如图 2.4 所示。仿真实验结论仿真实验结论通过仿真实验和对仿真实验得到的输出波形的分析可知，在直流生涯斩波 电路中电感电容的对其负载电压的影响。虽然理想的电感电容值为无穷大，但 这在现实设计中是不可能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小成本成 为矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也将和 Boost 启动时调节时间成为矛盾。 所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取合适的电感电容值！三、硬件实验三、硬件实验1)硬件电路 硬件电路的工作原理分析
13、外接 220V 交流电压经过变压器 T1 和不控整流电路得到 50V 的直流电压 E 作为 Boost Chopper 的输入电压给 Boost Chopper 供电。为使 IGBT 在过压 时不至于损害和抑制 IGBT 的电流变化过快及其两端电压变化过快而给 IGBT 带 来的损害，在主电路中为其加入缓冲电路和过压保护电路是必要的。 触发电路以专用的 PWM 控制芯片 SG3525 为核心构成，控制电路输出占空 比可调的矩形波形，占空比受 Uco 的控制（如图 1-13） 。触发电路输出的矩形 波经光耦合驱动电路控制主电路中 I GBT 的开通和关断。 电路设计好后主电路中的电感电容值已确定
14、，此时只要调节触发波形的占 空比即可调节 Boost Chopper 输出电压。15硬件电路图如下页图 2-15 所示。 电路设计好后主电路中的电感电容值已确定，此时只要调节触发波形的占 空比即可调节 Boost Chopper 输出电压。占空比越大，Boost Chopper 的输出 电压值越大.图 2-15 boost chopper 触发电路及主电路图2)元器件的选取及计算 本硬件试验中缓冲电路选取的是充放电型RCDH缓冲电路，也是一种耗能型缓冲 电路。其中应用元件需要要结合实际的情况进行选择。其中的吸收电容的选择可以采用一下公式：16 =2(+ ）2电路中的电阻Rs不宜过大，如太大放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太小，在器件导通时，Rs 放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能引起振荡。一般的，电阻选择参考下面的公式： =1 6其中 Ls主电路电感，主要是没
