升降压斩波课程设计
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****大学
自动化学院
电力电子技术课程设计报告
设计题目：
升降压斩波电路设计
单位（二级学院）：自动化学院
学生姓名：
专业：电气工程及其自动化
班级：
学号：
指导教师：
设计时间：2014年5月
摘要
20世纪80年代以来 ，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。利用全控型器件可以组成变流器。直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。直流—直流变流电路（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本文着重介绍升降压斩波电路的原理和基于matlab的simulink的升降压斩波电路的仿真以及用一种芯片的方法实现升降压斩波。
关键词：直流—直流变流电路；升降压斩波；simulink；仿真
1
图1所示为升降压斩波电路（Buck-Boost Chopper）原理图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒指。
图1
该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为I1，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为I2，方向如图1所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压 对时间的积分为零，即：
图7 MC34063升压模块
3.3 PCB版制作流程
1、打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来
2、裁剪覆铜板，用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。
3、转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，最好用胶带粘住，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过3-5次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上
2.Βιβλιοθήκη Baidu 仿真参数的设置
1、直流电压源选择DC Voltagesource,其工作电压安需要设定（3～30V）。
2、示波器：接入2路信号分别为：iloade、Vloade。
3、IGBT的参数选择中的current tail time设置为：2e-6，其余为默认值。
4、晶闸管选择Diode,参数选择为默认值。
4、腐蚀线路板.用腐蚀剂服饰结合热水加快服饰速度。
5、线路板钻孔。线路板上是要插入电子元件的，所以就要对线路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针
6、线路板预处理。钻孔完后，用细砂纸把覆在线路板上的墨粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有线路的一面，为加快松香凝固，用热风机加热线路板，只需2-3分钟松香就能凝固。
图4纯电阻50%占空比波形图
由前面计算公式，我们知道当输入电压为30V时，占空比0.5时，输出电压理论值为30V，由上图知，仿真输出电压大约为27.8V。仿真输出电流大约2.8A，输出功率77.84W，大于20W，符合设计要求。不妨改变输入电压再试试。以下把输入电压改为10V，由于需要升高电压，所以取占空比80%。仿真波形如下：
5参考文献
[1]王兆安，刘进军，电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版，2009:119-123.
[2]杨素行，模拟电子技术基础简明教程[M].第三版.北京：高等教育出版,2006.
[3]贾立柱，刘晓龙，基于matlab的升降压斩波电路的仿真[J].北京：华北电力大学.
[4]陈荣，基于升降压斩波电路的三相DC/AC逆变器研究[J].山东：中国石油大学，2013.
通过外围电路能够使得LM2596芯片输出电压可调，输出电压的计算可由下式给出： （3-1）
图6LM2596降压模块
3.2 MC34063芯片升压
MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。能在3.0-40V的输入电压下工作，输出开关输出电压可调，工作振荡频率从100HZ到100KHZ。
图5纯电阻80%占空比波形图
由图知输出电流大约3.37A，输出电压大约33.7V，输出功率113.57W，大于20W，符合设计要求。
由上述波形图可以看出，电压电流的波形都近似为一条直线。输出电压，电流与理论值都存在小小的误差。但考虑到其他元件自身的阻抗作用，这种误差是能够容许的。
3
3.1 LM2596降压
(2-1)
所以输出电压为：
(2-2)
为V处于通态的时间， 为V处于断态的时间。T为开关周期； 为导通占空比，简称占空比或导通比。
若改变导通比 ，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当 时为降压，
当 时为升压，
因此该电路称为升降压斩波电路。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，可调输出电压范围1.2V～37V±4%，输出线性好且负载可调节，输出电流可高达3A，采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高。
MC34063组成的升压电路原理如图,当芯片内开关管(Q1)导通时，电源经取样电阻Res、电感L2、 MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L2开始存储能量，而由C_out对负载提供能量。当T1断开时，电源和电感同时给负载和电容C_out提供能量。电感在释 放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。
1、保持开关周期T不变，调节开关导通时间 不变，称为PWM。
2、保持开关导通时间 不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3、 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
2仿真分析与调试
2.1 建立仿真模型
在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。
7、焊接电子元件。焊接完相应的电子元件，通电检测和测试。
4心得体会
通过这次课程设计，让我对电力电子技术有了更深的认识，让我进一步了解了电力电子器件。在这次课程设计中我主要担任电路仿真的工作，虽然在此期间遇到了很多困难，重复了很多遍都没有仿成功，但是经过查找资料，向老师同学请教，之后得到你要的结果时，那种喜悦感，那种兴奋感如果没有这一过程是无法体会的。仿真让我进一步学习了matlab软件，学会了很多关于仿真的知识。当然，此过程少不了老师的付出和同学合作。这次的设计也让我认识到了理论与实际结合的重要性。
5、脉冲发生器参数设置为：
Amplitue=1VL=3H C=infF
Period=2e-4s(频率5000HZ)
Pulse Width（即占空比）：按需要设定
6、主电路负载参数设置为：R=10ΩL=0H C=25e-04F
7、电感参数设置：400e-3H
2.3仿真结果分析
纯电阻负载时，首先选择输入电压30V，占空比为0.33。仿真波形如下图所示：
这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。
仿真电路图如下所示：
图2 仿真电路图
仿真电路中，用虚拟的示波器监控了斩波电路输出电压和输出电流的波形。根据题目要求输出电压范围值为2.2～24V，输出功率大于等于20W，输入直流电压为3～30V。又由于升降压斩波电路对电感和电容的要求较高，因此它们的取值应尽可能大。
图3纯电阻33%占空比波形图
由前面计算公式，我们知道当输入电压为30V时，占空比0.33时，输出电压理论值为14.14V。由上图知，仿真输出电压大约为13.35V。仿真输出电流大约1.34A，输出功率为17.89W，没有大于20W，我们可以通过改变占空比，使输出电压和电流升高，以满足设计要求。以下保持输入电压不变，把占空比变为50%，再仿真一次。仿真结果如下图所示：
自动化学院
电力电子技术课程设计报告
设计题目：
升降压斩波电路设计
单位（二级学院）：自动化学院
学生姓名：
专业：电气工程及其自动化
班级：
学号：
指导教师：
设计时间：2014年5月
摘要
20世纪80年代以来 ，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。利用全控型器件可以组成变流器。直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。直流—直流变流电路（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本文着重介绍升降压斩波电路的原理和基于matlab的simulink的升降压斩波电路的仿真以及用一种芯片的方法实现升降压斩波。
关键词：直流—直流变流电路；升降压斩波；simulink；仿真
1
图1所示为升降压斩波电路（Buck-Boost Chopper）原理图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒指。
图1
该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为I1，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为I2，方向如图1所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压 对时间的积分为零，即：
图7 MC34063升压模块
3.3 PCB版制作流程
1、打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来
2、裁剪覆铜板，用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。
3、转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，最好用胶带粘住，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过3-5次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上
2.Βιβλιοθήκη Baidu 仿真参数的设置
1、直流电压源选择DC Voltagesource,其工作电压安需要设定（3～30V）。
2、示波器：接入2路信号分别为：iloade、Vloade。
3、IGBT的参数选择中的current tail time设置为：2e-6，其余为默认值。
4、晶闸管选择Diode,参数选择为默认值。
4、腐蚀线路板.用腐蚀剂服饰结合热水加快服饰速度。
5、线路板钻孔。线路板上是要插入电子元件的，所以就要对线路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针
6、线路板预处理。钻孔完后，用细砂纸把覆在线路板上的墨粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有线路的一面，为加快松香凝固，用热风机加热线路板，只需2-3分钟松香就能凝固。
图4纯电阻50%占空比波形图
由前面计算公式，我们知道当输入电压为30V时，占空比0.5时，输出电压理论值为30V，由上图知，仿真输出电压大约为27.8V。仿真输出电流大约2.8A，输出功率77.84W，大于20W，符合设计要求。不妨改变输入电压再试试。以下把输入电压改为10V，由于需要升高电压，所以取占空比80%。仿真波形如下：
5参考文献
[1]王兆安，刘进军，电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版，2009:119-123.
[2]杨素行，模拟电子技术基础简明教程[M].第三版.北京：高等教育出版,2006.
[3]贾立柱，刘晓龙，基于matlab的升降压斩波电路的仿真[J].北京：华北电力大学.
[4]陈荣，基于升降压斩波电路的三相DC/AC逆变器研究[J].山东：中国石油大学，2013.
通过外围电路能够使得LM2596芯片输出电压可调，输出电压的计算可由下式给出： （3-1）
图6LM2596降压模块
3.2 MC34063芯片升压
MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。能在3.0-40V的输入电压下工作，输出开关输出电压可调，工作振荡频率从100HZ到100KHZ。
图5纯电阻80%占空比波形图
由图知输出电流大约3.37A，输出电压大约33.7V，输出功率113.57W，大于20W，符合设计要求。
由上述波形图可以看出，电压电流的波形都近似为一条直线。输出电压，电流与理论值都存在小小的误差。但考虑到其他元件自身的阻抗作用，这种误差是能够容许的。
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3.1 LM2596降压
(2-1)
所以输出电压为：
(2-2)
为V处于通态的时间， 为V处于断态的时间。T为开关周期； 为导通占空比，简称占空比或导通比。
若改变导通比 ，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当 时为降压，
当 时为升压，
因此该电路称为升降压斩波电路。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，可调输出电压范围1.2V～37V±4%，输出线性好且负载可调节，输出电流可高达3A，采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高。
MC34063组成的升压电路原理如图,当芯片内开关管(Q1)导通时，电源经取样电阻Res、电感L2、 MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L2开始存储能量，而由C_out对负载提供能量。当T1断开时，电源和电感同时给负载和电容C_out提供能量。电感在释 放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。
1、保持开关周期T不变，调节开关导通时间 不变，称为PWM。
2、保持开关导通时间 不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3、 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
2仿真分析与调试
2.1 建立仿真模型
在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。
7、焊接电子元件。焊接完相应的电子元件，通电检测和测试。
4心得体会
通过这次课程设计，让我对电力电子技术有了更深的认识，让我进一步了解了电力电子器件。在这次课程设计中我主要担任电路仿真的工作，虽然在此期间遇到了很多困难，重复了很多遍都没有仿成功，但是经过查找资料，向老师同学请教，之后得到你要的结果时，那种喜悦感，那种兴奋感如果没有这一过程是无法体会的。仿真让我进一步学习了matlab软件，学会了很多关于仿真的知识。当然，此过程少不了老师的付出和同学合作。这次的设计也让我认识到了理论与实际结合的重要性。
5、脉冲发生器参数设置为：
Amplitue=1VL=3H C=infF
Period=2e-4s(频率5000HZ)
Pulse Width（即占空比）：按需要设定
6、主电路负载参数设置为：R=10ΩL=0H C=25e-04F
7、电感参数设置：400e-3H
2.3仿真结果分析
纯电阻负载时，首先选择输入电压30V，占空比为0.33。仿真波形如下图所示：
这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的simulink工具。先从simulink的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。
仿真电路图如下所示：
图2 仿真电路图
仿真电路中，用虚拟的示波器监控了斩波电路输出电压和输出电流的波形。根据题目要求输出电压范围值为2.2～24V，输出功率大于等于20W，输入直流电压为3～30V。又由于升降压斩波电路对电感和电容的要求较高，因此它们的取值应尽可能大。
图3纯电阻33%占空比波形图
由前面计算公式，我们知道当输入电压为30V时，占空比0.33时，输出电压理论值为14.14V。由上图知，仿真输出电压大约为13.35V。仿真输出电流大约1.34A，输出功率为17.89W，没有大于20W，我们可以通过改变占空比，使输出电压和电流升高，以满足设计要求。以下保持输入电压不变，把占空比变为50%，再仿真一次。仿真结果如下图所示：