电力电子升压斩波电路设计

引言斩波器的工作方式有三种：一是脉宽调制方式，保持周期T 不变，改变开关导通时间on T 。

二是频率调制方式，保持on T 不变，改变周期T 。

三是混合型，on T 和T 都可调，使占空比改变。

直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的直流直流变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。

直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。

全控型电力电子器件IGBT 在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。

1总体方案简介1.1设计原理框图本设计拟采用直流升压斩波电路将输入的50V直流电压进行电压抬升，调节占空比，使其为3/1时，进而使输出直流电压为V75。

图1-1 组成框图1.2方案介绍主电路的功能是对输入的50V的直流电压进行升压。

它主要由全控型器件IGBT及电感、电容器件组成。

控制电路部分则是对全控型器件IGBT的通断进行控制，来获得不同的占空比，实现不同占空比下电压的抬升。

具体结构在后面将会介绍。

1.3设计结构本设计主要包括三部分，即主电路设计、控制电路设计以及驱动电路设计。

2主电路设计2.1主电路原理图主电路采用升压斩波电路，工作波形如图所示。

该电路中使用的是全控型器件IGBT 。

图2-1 升压斩波电路原理及工作波形2.2主电路工作原理假设L 值、C 值很大。

当V 导通时，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，输出电压为恒值,记为o U 。

设V 通的时间为ton ，此阶段L 上积蓄的能量为EI1ton 。

当V 断开时，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：off 1o t E)I -(U 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等，则有： 经过化简，可以得到输出电压的值： 因为周期T 大于toff ，则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。

式中off T t /表示升压比，调节其大小即可改变输出电压的大小，调节的方法和改变占空比的方法发类似。

将升压比的倒数记作β，则和导通占空比α，有如下关系：1=+βα因此，输出电U GE io()off o on t I E U t EI 11-=E t TE t t t U offoff off on o=+=压表达式为：升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：① L 储能之后具有使电压泵升的作用。

② 电容C 可将输出电压保持住。

如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R 消耗，与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。

2.3升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正电路，三是用于其他交直流电源中。

当升压斩波电路用于直流电动机传动时，再生制动时把电能回馈给直流电源。

工作电路及波形图如图所示。

图2-2 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及工作波形由于实际电路中的电感值不可能为无穷大，因此和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。

此时电动机反电动势相当于图2-1中的电源，直流电源EE Uoαβ-==111相当于负载。

因为直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。

对电路分析如下：当IGBT 处于导通时，得：11Md i LR i E d t+=其中R 为电动机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设1i 的初值为10I ，解上式得：1101tt M E i I ee R ττ--⎛⎫=+- ⎪⎝⎭当IGBT 处于关断时，设电动机电枢电流为2i ，得：22M d i LR i E Ed t+=-设2i 的初值为20I ，解上式得：2201onon t t t t M E E i I ee R ττ----⎛⎫-=-- ⎪⎝⎭当电流连续时，从图 2-2 的电流波形可看出，on t =t 时刻201i I =，T =t 时刻102i I =，由此可得：20101onon t t M E I I ee R ττ--⎛⎫=+- ⎪⎝⎭ffoff 10201o t tM E E I I ee R ττ--⎛⎫-=+- ⎪⎝⎭故由上两式求得：off 101111tM T E e E e E I m R R e R e βρτρτ----⎛⎫⎛⎫-- ⎪=-=- ⎪ ⎪-⎝⎭ ⎪-⎝⎭on2011t T M T E e e E e e E I m R R e R e αρρττρτ------⎛⎫⎛⎫-- ⎪=-=- ⎪ ⎪-⎝⎭ ⎪-⎝⎭把上面两式用泰勒级数线性近似，得：1020()E I I m R β==-该式表示了L 为无穷大时电枢电流的平均值o I ，即()M o E EE I m RRββ-=-=当电流断续时的波形如图 3-2所示。

当0t =时刻0i 101==I ，令上述电流连续时20I 式中010=I 即可求出20I ，进而可写出2i 的表达式。

另外，当2t t =时，0i 2=，可求得2i 持续的时间x t ，即o nn1l 1t x m emt ττ--=-当off x t <t 时，电路为电流断续工作状态，off x t <t 是电流断续的条件，即11em eβρρ---<-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最优参数选择主电路中的电感和电容应足够大，以保证电流不断续。

考虑到理想条件达不到，则需使电感和电容尽量大，尽可能减小误差。

3控制电路设计此电路主要用来产生控制信号。

产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路。

本设计采用直接产生PWM的专用芯片SG3525。

3.1芯片介绍芯片引脚图如图所示。

图3-1 SG2535芯片引脚图3.2原理分析该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变输入电阻的值就能改变输出PWM波的占空比，故在输入端接一个可调电阻就能实现PWM控制。

为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。

它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。

其连接电路图如下图所示。

通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。

其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。

输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至驱动电路，经过驱动电路对信号进行放大。

放大后的电压可以直接驱动IGBT。

此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。

适用于中小容量的PWM斩波电路。

图3-2 SG2535工作原理图为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM 经过隔离后才送至驱动电路。

3.3控制电路参数选择在上述控制电路中Ω=K R 1.52，Ω=103R ，Ω=K R 104，uF C 01.03=，uFC1004=。

对D6、D7采用4148IN 开关二极管。

4驱动电路设计4.1芯片介绍驱动芯片采用841K TX -驱动器。

841K TX -驱动器具有延迟时间小，工作频率高，驱动能力强等优点。

可直接代换841EXB 。

使用单一电源，驱动器内部设有负压分配器，减少了外部元器件。

4.2设计原理原理图如图所示。

图3-3 TX-K841原理图管脚说明：1：驱动器内部正负电压分配的中点，接IGBT 的发射极。

2：驱动器的辅助电源P V 的正端，也是驱动器内部正电源的CC V 端。

3：驱动器输出端，接IGBT 的栅极。

4：保留端。

5：故障信号输出端。

6：IGBT 电流检测端，接IGBT 的集电极。

7、8：未连接。

9：驱动器的辅助电源P V 的负端，也是驱动器内部负电源的ee V 端。

10、11：保留端。

12、13：空脚。

14、15：信号输入端，15脚高电平，14脚低电平。

4.3参数选择取V V P 20=滤波电容cC ，e C ，p C 可用Fμ47~22电解电容、再各并联一个μ1左右的CBB 无感电容，耐压均大于或等于25V 。

Ω=15~2.2g R ；W K R 25.0/74ge >=。

选取故障输出光耦的串联电阻2R 时，要考虑到5脚输出的低电平接近于负电源ee V 。

隔离反馈二极管hv D 应选用高压快恢复管，如107HER 等。

5结论本次设计旨在通过直流升压斩波电路将输入的V 50直流电转化为V 75的直流电。

分为主电路、控制电路和驱动电路的设计，在驱动电路与主电路之间有相应的保护电路，总体设计合理。

从理论上讲，控制电路采用3525SG 芯片用以产生PWM 信号。

调节其输入端的可调电阻就可以调节占空比。

控制信号需经过驱动电路放大后用以驱动开关器件IGBT ，控制其导通和关断时间。

当占空比为3/1时可以得到io 1.5UU 。

**大学课程设计6设计体会经过几天的努力，我终于完成了电力电子技术课程设计的任务。

首先通过仔细阅读设计要求，我找到了一定的思路，最终选定的方向为IGBT直流升压斩波电路的设计。

通过本次设计，我学到了很多。

对直流直流变流电路的理解得到加深，尤其对升压斩波电路的功能和原理有更好地掌握。

同时对直流升压斩波电路控制电路及驱动电路的选择有了更明确的认识，对主电路中电流的断续情况有更深的理解，为其参数的选取提供了依据。

这次课程设计，还锻炼了我的动手能力，使我认识到，通过实践，能够更好地掌握书本上学到的知识。

**直流升压斩波电路的设计参考文献[1] 王兆安．刘进军．电力电子技术(第五版)．北京．机械工业出版社．2000[2] 康华光．陈大钦．电子技术基础(第四版)．北京．高等教育出版社．1998[3] 张义和．DXPP电路设计快速入门．北京．中国铁道出版社．2003rotel。