可调的直流升压斩波电源设计.doc

1、第1章 绪论1. 电力电子技术的简介 所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。通常所用的电力有直流(DC)和交流(AC)两大类。从公用电网直接得到电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。电力变换通常可分为四种类型：交流变直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。直流变交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。交流变交流(A

2、C-AC)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。直流变直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。2. 电力电子技术的发展电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲。1957年第一只晶闸管也称可控硅(SCR)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件(亦称自关断型器件)，如：门极可关断晶闸管(GTO)、双极型功率晶体管(BJT/ GTR)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。控制电路经历了由分立

3、元件到集成电路的发展阶段。现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。3. 电力电子技术的应用 电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅应用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域也有着广泛的应用。例如：(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。特别强调的是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机

4、作用的保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。 (4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。第二章 直流升压斩波电源的设计2.1 升压斩波电源的简单介绍随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有的电力设备都需要良好稳定的供电，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时所供的直流电压不符合设备需要，仍需变换，称为DC/DC变换。本文设计

5、的是一个可调的直流升压斩波电源，利用升压直流斩波电路原理。所谓直流斩波电路的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流升压斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随着电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。本设计中直流斩波电路的控制电路以专用PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输

6、出占空比可调的矩形波。2.2 升压斩波电源的设计直流升压斩波电路一共分为三个部分电路块；分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。其主电路模块，主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小；而其控制电路模块，可用SG3525来控制IGBT的开通与关断。其驱动电路模块，用来驱动IGBT。2.2.1 升压斩波主电路的基本原理 1.电路的基本工作原理， 当V1导通时，能量从输入电源流入，并储存于电感L1中，由于V1导通期间正向饱和管压降很小，故这时二级管VD反偏，负载由滤波电容C供给能量，将C中储存的电能释放给负载。当V截止时，电感L中电流不能突变，它所产生的感应电势阻

7、止电流减小，感应电势的极性为下正上负，二极管VD导通，电感中储存的 能量经二极管VD，流入电容C，并给负载。在V导通的他ton期间，能量储存在电感L中，在V截止的toff期间，电感L释放能量，补充在ton期间电容C上损失的能量。V截止时电感L上电压跳变的幅值是是与占空比有关的，ton越大，L中峰值电流大，储存的磁能越大。所以如果要在ton期间储存的能量要在toff期间释放出来，那末，L上的电压脉冲必定是比较高的。假定开关管没有损耗，升压斩波电路在输入电压Vi、输入电流Ii下，能在较低的输出电流Io下，输出较高的电压Vo。2.输入输出电压关系稳压电源达到稳态后，输出电压稳在所需的恒定值V。只要适

8、当选择电容C1，输出纹波可做得足够小，当要求纹波为V时，由于在管子导通期间全部负载都由C1供电，因此选择C1取决于下式：C1=I0ton/V0当V1导通时，忽略管子的导通降压，电感L1上的电压为输入电压Vi,并且电流按I/t=Vi/ L1速率线性上升，在ton期间V1导通时，L1中的电流增量为I（+）=（Vi/L1）ton。当V1截止时，假定L1右端的电感反冲电压等于输出电压V0，则L1上的电压为V0-Vi，L1中的电流以I/t=（V0-Vi）/L1的速率线性下降，由于V1在toff期间关断，L1中的电流减量为I（-）=（V0-Vi）toff/L1，而在稳态，ton L1期间中电流的增量应等于

9、toff期间电流的减量，I（+）=I（-），故有Viton/L1=（V0-Vi）toff/L1V0=Vi（ton+toff）/toff =ViT/toff =ViT/T-ton=Vi/1-D其中 D =ton/T2.3系统电路总设计框图输入电源是24V直流稳压电，24V经过降压到15V给PWM控制模块供电, PWM控制模块产生可调脉冲送给升压斩波电路（PWM模块通过控制电路中开关器件的通断状态，来调节输出电压的大小并达到稳压的目的），通过调节可变电阻RP来改变脉冲占空比从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压Uo。把输出电压Uo通过降压,滤波后得到的信号Uco反馈给PWM控制模块以稳定脉冲调

10、制器的输出占空比,从而达到稳定输出电压的目的.因此整个系统构成一个可调的直流升压斩波电源。系统电路总设计框图如下图所示。PWM控制电路模 块斩 波电 路输出电压反馈电路电 源 模 块 第3章 控制系统的器件选择与介绍设计要求:输入Vi=24V直流稳压电 , 输出电压Vo=320V,电流Io=10A.，开关频率f在30KHz以上升压斩波电路的设计主要是确定关键元件:输出滤波电容、电感L、开关晶体管V以及二极管VD。由于电感L中流过直流电流，它必须设计在最大负载电流下不至于饱和。此外，晶体管上所承受的电压必须在其额定电流值以内。IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及

11、其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。1.储能电感L的选择电感电流包括直流平均植和纹波分量两部分，其电流平均值如下确定。假定忽略电路的内部损耗，则Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是从电源Vi取出的平均电流,也是流入电感的平均电流IL, Vo= Vi*T/toff,故有 Ii= Vo*Io/ Vi=Io*T/toff 我们选择I=Vi*ton/L=1.4Ii，则电感L为 L= Vi*ton/1.4Iiton=T*( Vo- Vi)/ Vo=(Vo-Vi)f*Vo假定忽略内部的损耗，则Vi*Ii=Vo*Io故有 Ii=

12、Vo*Io/ Vi因此 L= Vi*ton/1.4Ii= Vi*（Vo- Vi）/1.4f * Vo*Io 已知输出电压Vo、输出电流Io、输入电压Vi和开关频率f，就可求出电感值。则： L24（320-24）/1.4*30000320*10=0.0084H2.输出滤波电容的选择假如输出滤波电容C必须在V开启的ton期间供给全部负载电流，设在ton期间，C上的电压降纹波电压Vo，由式得 C=Io*(ton/Vo)由式，求得ton=T*(Vo-Vi)/Vo 故有 C= T*Io*(Vo-Vi)/Vo*Vo = Io*(Vo-Vi)/f*Vo*Vo Vo24*10%=2.4v f30000Hz C

13、10*(320-24)/30000*2.4*320=0.23uF=230pF在本电路中，电容作滤波作用，要求耐压至少3000伏上,可以选择高压瓷介电容,瓷介电容耐热能好.容量稳定性好,因陶瓷材料绝缘性能好,使瓷介电容耐压高,而且几乎与频率无关,具备适用于高频电路的优势.根据课题要求我们选择下列型号器件: 型 号 额定电压(KV) 标称容量(pF) CCJ-1-6 6.3 120-450表2 电容的参数表3.单光耦芯片的介绍光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。1. 光耦结构 光耦结构图当发光二极管流过

14、电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC2. 光耦特点如下：a.光耦输入阻抗小，而干扰源的内阻很大，因而分到光耦输入端的噪声很小；b.光耦是在电流状态下工作的，干扰源即使有很高的电压幅度，但由于不能提供足够的电流而被抑制掉；c.光耦是在密封条件下工作的，因而不会受外界光的干扰d.光耦的输入与输出回路间分布电容极小，而绝缘电阻很大，所以回路一边的干扰很难通过光耦馈送到另一边应用电路。根据课题要求我们选择下列型号器件型号正向压降VF(V)最大正向电流IFMAX(mA)电流传输比CTR()输出饱和压降VCE(V)反向击穿电压VCEO(V)输入与输出绝缘电压BVS

15、(V)TLP-521 1.15(IF=10mA) 50100(IF=5mA Vce=5V)0.4(IF=8 mAIC=2.4mA) 55 2500 光耦 TLP-521的参数表 4.开关晶体管的选择VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。 本设计中的开关晶体管就可以选用功率场效应管VMOS。VMOS中有一种扩散型器件叫VDMOS，VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与双极晶体管相比，它的开关速度，开关损耗小；输入阻抗高，驱动功率小；频率特性好；跨导高度线性。特别值得指明出的是

16、，它具有负的温度系数，没有双极功率的二次穿问题，安全工作出了区大。因此，不论是开关应用还是线性应用，VDMOS都是理想的功率器件。根据课题要求我们选择下列型号器件：型号耐压V电流I功率PK7274KV2A120W场效应管参数表5.二极管VD的选择在晶体管V导通间,二极管VD截止,这时VD上承受的电压为Vo (忽略V的正向饱和压降Vces)。在晶体管V导通期间，二极管VD导通，VD中流过的电流为输出电流Io与电容C充电电流之和，也就是toff期间电感L中流过的电流，即输入电流Ii= Io（Vo/ Vi）。自然在选择管子的电压、电流额定值时，都应该考虑安全因素，留有一定的余量。 Ii=10A*（3

17、20/24）=133.3A ； 耐压要3000V以上在升压斩波电路中，二极管是起整流的作用，因为此电源是一个高频开关电源，因此可选择快速恢复硅整流二极管。根据课题要求我们选择下列型号器件： 参 数 型 号反向恢复时间 （ us ）平均整流电流 （A）反向击穿电压 （V）峰值电流（A）MUR402000.035 20 4000 300 表4 二极管参数表9 第4章 系统的总体设计2.1升压斩波电路模块升压斩波电路（boost chopper）由开关晶体管V、二极管VD1、储能电感L和输出滤波电容C所组成。由于电感L上的感应电压通常高于输入电压，加上二级管的隔离作用，使得升压斩波电路的输出电压高于

18、输入电压。输入Vi=24V直流稳压电(纹波系数少于10%),输出电压Vo=320V,电流Io=10A.，由于电感L中流过直流电流，它必须设计在最大负载电流下不至于饱和。此外，管子上所承受的电压必须在其额定电流值10以内。 2.2 PWM控制电路及驱动电路模块控制电路以专用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，其占空比受Uco控制。在芯片的1脚和9脚之间接入一个反馈网络构成一个PI调节器（比例积分调节器,如），在稳态时电压调节器的入端误差应为零，即 U=UR-Uf=0, UR= Uf.如果调节可变电阻RP使Uco增大，由上式应有U0,PI调节器立即对此误差电压进行

19、比例积分运算.于是输出电压Ue在原来的数值上增大,从而使输出占空比增大,使升压斩波电路输出电压增大,反馈电压Uf也随着增大,直至与UR相等,PI调节器的输出电压才停止增长,系统工作在新的工作点上. PWM控制模块图2.3输出电压反馈电路模块 输出电压反馈图这个电路的作用其实是得到一个反馈电压f反馈给控制模块，达到一个稳定输出电压的目的。输出电压UO经电容降压，滤波后得到反馈电压f。2.3.1滤波电路 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电容容量较大

20、，一般均采用电解电容，电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。本设计中用的是复式滤波电路中的RC型滤波电路。如下图所示： 图11RC型滤波电路图2.4电源模块图12 电源模块图如上图所示，输入150V直流稳压电源，经电阻R1、R2分压，送给三端温压器7815稳压，输出15V直流稳压电来PWM控制模块供电。总结与体会 短短两周的课程设计已经结束了，通过这次的课程设计锻炼了我们的实践能力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练。因此对于我们这一专业的同学来说，学好电力电子技术这一门学科是非常重要的。此次电力电子课程设计，从理论到实践，两个星期里，学到了很多的东西。同时不仅巩固了以前

21、所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这次的课程设计还让我学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃。设计过程中，因为是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富。总的来说，我们的这次课程设计还算比较成功，非常感谢位颜老师的耐心指导，当然也离不开全组成员的共同努力。我相信今后不管做什么课程设计，只要大家一起多问多想多讨论，认真去做，相信都将会有所收获，都会取得成功。