电力电子课程设计升压斩波电路

信息工程学院电力电子学课程设计报告书题目: 升压斩波电路设计专业：电子信息科学与技术班级： 0309412学号： 030841004学生姓名：王哲指导教师：钟建伟2012 年 05 月 09日信息工程学院课程设计任务书目录目录 (2)摘要 (3)1 设计任务与方案 (4)1.1设计任务 (4)1.2设计方案 (4)2 总体设计 (5)2.1 主电路设计 (5)2.1.1原理分析 (5)2.2.2参数计算 (6)2.2 保护电路 (7)3 SimPowerSystem仿真 (8)3.1仿真波形 (9)3.1.1占空比为50% (9)3.1.2占空比为58.33% (10)3.1.3占空比为66.67% (10)3.2 结果分析 (11)4 总结 (12)参考文献 (13)附录： (14)仿真报告 (14)元器件清单 (15)摘要直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic 斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

本设计为升压斩波电路Boost Chopper。

升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路，三是用于其它交直流电源中。

关键词：DC/DC Converter；直流斩波；升压；Boost Chopper；典型应用。

1 设计任务与方案1.1设计任务要求设计一个输入直流电压：U d=40V、开关频率100KHz、输出电压范围80V-120V、输出电压纹波：小于1%、最大输出电流：5A、具有过流保护功能，动作电流：6A、具有稳压功能、效率不低于70%的升压斩波电路，以满足课程设计的要求。

1.2设计方案由于升压斩波电路可以将任意可调的直流电转换为稳定的另一直流电压，也可以将任一稳定的直流电压转换为可调范围输出，根据题目要求，主电路采用Boost Chopper。

通过合适的选取电阻和电感的大小并采用调节占空比的方法调节输出电压的大小；通过合适的选取电容的值达到纹波指标，同时稳定输出的电压。

另外加上合适的过流保护电路防止器件的损坏。

电路图如下所示：图1：直流升压斩波电路图2：过流保护电路2 总体设计2.1 主电路设计2.1.1原理分析电路结构和升压原理：图3：Boost 变换器电路为了获得高于电源电压i V 的直流输出电压0V ，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L ，如图3(a)所示。

在开关管T 关断时，利用图3(c)中电感线圈L 在其电流减小时所产生的反电动势l e （在电感电流减小时，/l l t e ldi d =-为正值）与电源电压S V 串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压S V 的直流电压0V 。

图3(a)就是在这一思想启发下，利用一个全控型开关管T 和一个续流二极管加上电感、电容构成的直流／直流升压变换器———BoostDC/DC 变换器。

BoostDC/DC 变换器是输出直流电压平均值0V 高于输入电压S V 的单管不隔离直流变换器，图3(a)中，Boost 变换器中电感L 在输入侧，称为升压电感。

开关管T 仍为PWM 控制方式，和Buck 变换器一样，Boost 变换器也有电感电流连续和断流两种工作方式，图4(e)和(f)给出了这两种工作方式下的主要波形图。

图3(b)、(c)、(d)为Boost 变换器在不同开关状态时的等效电路。

当电感电流连续时，Boost 变换器存在两种开关状态，如图3(b)和(c)所示；而当电感电流断流时，Boost 变换器还有第三种开关状态，如图3(d)所示。

图4 Boost 变换器主要波形2.2.2参数计算这里取min o I =0.5A ，max o I =5A.根据设计要求，需要将电感电流工作在连续状态，由式/(1)o s V V D =-得到1/s o D V V =-。

当o V =80V 时，D=0.5；当o V =120V 时，D=0.667。

即占空比的变化范围是0.5~0.667。

临界负载电流 ：2(1)2OoBm sV I D D Lf =-D=1/3时，oBm I 有最大值。

这里取最接近的D=0.5。

令最小负载电流大于临界负载电流，则：2min(1)2Os O V L D D f I ≥-⨯，代入题目要求的值，取o V =120V ，可算出150L H μ=.这里可取大一点的值，取1.2倍大小，令180L H μ=。

验算：当180L H μ=，D=0.5时，算出临界负载电流为：oB I =0.42A<min o I =0.5A 。

确保了电感电流连续，符合设计方案初衷。

可取min 120/524R ==Ω，由输出纹波要求，可进一步计算出min 128cC F R f μ≥≈.为留一定裕量，取C=32F μ。

验算：当C=32F μ，D=0.5时，611302.1243210c Z f H -=≈⨯⨯时：31302.1/0.6670.867%1%10010O O V V ∆=⨯≈<⨯，满足设计要求。

2.2 保护电路电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流，造成开关器件的永 久性损坏。

过电流在过载和短路两种情况下发生。

图5给出电力电子变换器系统中常采用的 过电流保护措施及各种保护的配置位置。

通常电力电子变换器系统均同时采用几种过流保护措 施，以确保保护的可靠性和合理性。

所选择的几种过流保护措施应相互协调配合，各尽所能。

通 常选用电子保护作为延时最短、但动作阈值最高的一级保护，当电流传感器检测到过电流值超过 动作电流整定值时，电子保护电路输出过流信号，封锁驱动信号，关断变换器中的开关器件，切断 过流故障。

图5 过流保护措施及保护配置3 SimPowerSystem仿真Boost变换器仿真图如下（使用Matlab Simulink）：说明：鉴于加入过流保护电路会较为复杂，这里没有绘制过流保护电路，仅对主电路部分进行仿真且不会影响到仿真结果。

图6：占空比为50%时，输出电压最小值，平均为79.86V图7：占空比为66.7%时，输出电压最大值，平均为119.6V3.1仿真波形参数配置：C=32F μ，180L H μ=，24R =Ω；S V =40V ，10s T s μ=；占空比调节范围：50%~66.67%。

电感电流工作在连续模式，通过调节占空比可以使O V 的平均值在79.86V~119.6V 之间变化，且O I 平均值为4.98A 。

最大值分别可达到80V 、120V 和5A 。

示波器分别测量的是：采样信号、电感的电压电流、负载的电压电流以及二极管和MOSFET 两端的电流。

下面为具体仿真波形，已调节至观察状态。

仿真时间为1s, 算法是ode23t 。

3.1.1占空比为50%3.1.2占空比为58.33%3.1.3占空比为66.67%3.2 结果分析从以上不同占空比下的仿真波形图可以看出，占空比的调解与输出电压的大小基本完全成正比，有很好的线性度。

由于选择的电容和电感的选择均留有裕量，使得输出电压的波形稳定，观察的纹波鱼计算值一致，不到1%。

输出电流的最大值刚好是5A，最小的为3.15A，平均值值在这之间随着占空比的增加而增大。

在占空比为最大值0.667时，电感电流以及MOSFET和DIODE的峰值电流均达到了15A。

由于是在理想的环境中仿真，输入的能量等于输出的能量，见证了能量守恒。

电路的最小输出功率为266W，最大输出功率为600W，输入的仿真计算值为264W和600W，理想仿真环境下得到的效率基本为100%。

综上所述，各项性能指标均符合要求。

加上保护电路后即可圆满完成设计。

4 总结通过本次设计，进一步熟练了MA TLAB SIMULINK工具的使用，对于电力方面的模块SimPowerSystem有了初步的了解和感性的认识。

在赞叹MA TLAB功能强大的同时也发现自己的渺小，工具箱里的东西有很多是不会使用的。

对WORD软件和公式编辑器也更加的熟悉，通过严格的格式要求，体会到了做设计的辛苦，更多的时间是花费在了整理文档上。

从开始拿到题目的不知所措，到后来一步步翻阅书籍、查找资料、研读相关知识，到最后做出来，每一个过程都付出了辛劳和汗水，充满了惊喜和冒险。

刚开始由于思路加上计算上的错误，导致做了一天的无用功，让我学会了每一步设计都需谨慎和认真，碰到问题学会解决问题的方法。

由于之前都没做过这方面的东西，在电路分析方面也没多少经验，现在发现电力电子是门很有用的学科，尤其在电力系统中担任关键角色。

分析方法和分析工具在很多领域都是相通的。

在以后的学习中，我会注意这方面与其它学科之间的联系的加强，提升思维上的层次、弥补自身的不足。

参考文献[1]陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术（第二版）北京：高等教育出版社，2004[2]王兆安，刘进军．电力电子技术（第5版）.北京：机械工业出版社，2009.5[3]林飞，杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:中国电力出版社，2008[4] 赵良炳．现代电力电子技术基础．北京：清华大学出版社，1995[5]贾好来. EXB841对IGBT的过流保护研究. 太原理工大学学报，1007-9432(1999)06-0610-04[6] 纪相普,于谅.基于SIMULINK的BUCK型PFC装置仿真上海大学学报(自然科学版) 1007-2861(2001)05-0461-04附录：仿真报告SimPowerSystems Report.generated by powergui,11-May-2007 17:46:04Model : C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\电力电子\boost.mdl.[1] Steady-State Voltages and currents:States at 0 Hz :6.0233e-015 V ---> 'Uc_C '4.0000e-004 A ---> 'Il_L '4.0000e+001 V ---> 'Uc_snubber: Diode'Measurements at 0 Hz :Sources at 0 Hz :4.0000e+001 V ---> U_DC Voltage SourceNonlinear elements at 0 Hz :4.0000e+001 V ---> U_Mosfet/Ideal Switch4.0000e+001 V ---> U_Diode-4.0000e+001 V ---> U_Mosfet/DiodeNONLINEAR ELEMENTS (system inputs):0.0000e+000 A ---> I_Mosfet/Ideal Switch0.0000e+000 A ---> I_Diode0.0000e+000 A ---> I_Mosfet/Diode[2] Initial values of States Variables:1 'Uc' C = 6.0233e-015 V2 'Il' L = 4.0000e-004 A3 'Uc' snubber: Diode = 4.0000e+001 V元器件清单Unit specified : OMUrlc matrix:Node_1 Node_2 Type R(ohms) L(mH) C(uF)/U(V) Branch# Block name------------------------------------------------------------------------------------4 3 S 0 0 32 1 C 1 2 S 0 0.18 0 2 L 4 3 S 24 0 0 3 R 2 3 S 1e+005 0 0 4snubber: Mosfet/Ideal Switch2 4 S 500 0 0.25 5snubber: DiodeNumber of nodes: 4Number of branches: 5Number of transformers: 0Number of mutuals (inductive coupling): 0Number of Voltage sources: 1Number of current sources: 3Number of switches: 3Source matrix:Node1 Node2 U/I Mag. Phase Frequency Type Block name(0/1) (V/A) (degrees) (Hz)--------------------------------------------------------------2 3 1 0 0 0 1 Mosfet/Ideal Switch2 4 1 0 0 03 Diode3 2 1 0 0 0 3 Mosfet/Diode1 3 0 40 0 0 21 DC Voltage SourceSwitch matrix:Node1 Node2 0/1 R. L. I# U# Switch type ------------------------------------------------------ 2 3 0 1e-008 0 1 1 Ideal Switch2 4 0 1e-007 0 2 2 Diode3 2 0 0.01 0 3 3 DiodeTotal number of inductances and capacitors: 3Output expressions:y_u1 = U_Mosfet/Ideal Switchy_u2 = U_Diodey_u3 = U_Mosfet/Diodey_u4 = Ub: Ly_u5 = Ub: Ry_i6 = Ib: Ly_i7 = Ib: R。