升降压斩波课程设计

《电力电子技术》课程设计说明书直流升降压斩波电路的设计与仿真院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称讲师专业：电气工程及其自动化班级：学号：完成时间：2016年6月电力电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程系专业：电气工程及其自动化摘要电力电子技术飞速发展，电力电子技术已经成为自动化领域里一个重要部分，其核心就是利用弱电电路的设计思路，强大电路的器件来实现电路的各种需求。

至今电力电子技术已经成为电气工程、信息科学、能源科学三个学科领域的公共学科，可见现实中其无可替代的重要性。

该课程设计做的直流升降压斩波电路，是以SG3525为驱动电路的升降压斩波电路，其优点是响应快，加速平稳、节约能源效果好。

通过MATLAB中的SIMULINK 功能仿真，到达了预期效果。

关键词：直流—直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真目录1 绪论 (1)2 总体方案设计 (2)2.1 设计要求 (2)2.2 升降压直流斩波电路总体设计方案 (2)2.3 方案的确定 (2)3 主电路设计 (4)3.1 工作原理 (4)3.2 波形图 (5)3.3 主要元器件选择、参数分析 (6)4 控制与驱动电路的设计 (7)4.1 控制电路的设计 (7)4.2 驱动电路设计 (8)5 直流升压斩波电路保护电路设计 (9)5.1 过电流保护电路 (9)5.2 过电压保护电路 (9)6 Simulink仿真分析 (11)6.1 仿真软件简介 (11)6.2 建立仿真模型 (11)6.3 仿真结果分析 (14)结束语 (17)参考文献 (18)致谢 (19)附录A Simulink仿真图 (20)附录B CAD电气原理图 (21)1 绪论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。

早期的直流装换电路，电路复杂、功率损耗、体积大，使用不方便。

晶闸管的出现为这种电路的设计又提供了一种选择。

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

它电路简单体积小，便于集成；功率损耗少，符合当今社会生产的要求；所以在直流转换电路中使用晶闸管是一种很好的选择。

(1)IGBT介绍本设计基于《电力电子技术》课程，充分使用全控型晶闸管IGBT设计电路，实现直流升压。

IGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

(2) 驱动电路SG3525简介SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

2 总体方案设计2.1 设计要求1）直流输入电压100V；2）电阻负载；(R取学号尾数X10Ω)；3）控制电路频率10KHZ；4）输出电压纹波系数：0.2%；5）仿真出占空比α分别为0.1，0.2，0.5，0.8的电感电压、电感电流、开关管电流、二极管电流和输出电压的波形。

2.2 升降压直流斩波电路总体设计方案直流斩波电路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。

它在电源的设计上有很重要的应用。

一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。

在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。

直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。

电路的结构框图如图1所示。

图1 总体设计方案除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。

2.3 方案的确定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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

控制电路是用来产生升、降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。

通过控制开关的开通和关断来控制升、降压斩波电路的主电路工作。

控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

3 主电路设计3.1 工作原理图2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值。

图2 升降压斩波电路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1i ，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2i ，方向如图1所示。

可见，负载电压极性为下正上负，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。

稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压L u 对时间的积分为零，即：()()0000=-=+=⎰⎰⎰off t T t on off L on L T L t u Et dt u dt u dt u on on (1)当V 处于通态期间时，L u =E ，而当V 处于断态期间时，L u = -0u 。

于是off o on t U Et = 所以输出电压为：E E t T t E t t u on on off on αα-=-==10 (2) on t 为V 处于通态的时间，off t 为V 处于断态的时间。

T 为开关周期；α为导通占空比，简称占空比或导通比。

若改变导通比α，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当012α<<时为降压， 当121α<<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：（1）保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t 不变，称为PWM 。

（2）保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型。

（3）on t 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

3.2波形图输出电压E E t t U off on O αα-==1(3)图3给出了电源电流1i 和负载电流2i 的波形，设两者的平均值分别为1I 、2I ，当电流脉动足够小时，有off ont t I I =21 (4) 由上式可得1121I I t t I on offαα-== (5)如果V 、VD 为没有损耗的理想开关时，则有21I U EI O =其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

图3 升降压斩波电路波形3.3 主要元器件选择、参数分析考虑安全裕度则IGBT 的额定电压为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440V-660V 。

额定电流33A-44A 。

二极管VD 的反向电压为220V.选择IGBT 的型号为IRH4PC40U 其额定电压为600V ，额定电流为40A 。

选择续流二极管的型号为HFA25TB60，期而定电压为600V ，额定电流25A 。

（1）前级整流电路负载平均电压升高，纹波减小，且C 越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为得到平滑的负载电压，一般取=C(3～5)T/2 (6)式中T 为电源交流电压的周期。

电容滤波电路的负载电压与的关系约为 L V =Y1.1～1.22V (7) 令整流后输出电压为100V ，则整流前输入电压2V =L V /1.2=100/1.2=83.4V (8)因为电源为交流单项220V ，变压器变比需满足1V ：2V =220:83.4=2:1 (9)此时前级整流输出电压E 为100V 。

（2）其他器件选择主电路中电感选择1Mh,整流电路中二极管选择为IN5232，驱动电路中二极管选择为IN4148，驱动电路中C1为0.01μF 。

4 控制与驱动电路的设计4.1 控制电路的设计斩波电路有三种控制方式：（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；（2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；（3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。

其中第一种是最常用的方法。

PWM控制信号的产生方法有很多。

使用IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如图4所示。

图4 控制电路原理图SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。

另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。

因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。

4.2 驱动电路设计IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。

因此需要信号放大的电路。

另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。

因而还设计中还学要有带电器隔离的部分。

具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：（1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。

否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。

（2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。