电力电子技术课程设计范例

电力电子技术课程设计

题目：直流降压斩波电路的设计

专业：电气自动化

班级：14电气

姓名：周方舟

学号：

指导教师：喻丽丽

目录

一设计要求与方案 (4)

二设计原理分析 (4)

2.1总体结构分分析 (4)

2.2直流电源设计 (5)

2．3主电路工作原理 (6)

2.4触发电路设计 (10)

2.5过压过流保护原理与设计 (15)

三仿真分析与调试 (17)

3.1 Matlab仿真图 (17)

3.2仿真结果 (18)

3.3 仿真实验结论 (24)

元器件列表 (24)

设计心得 (25)

参考文献 (25)

致谢 (26)

一．设计要求与方案

供电方案有两种选择。一，线性直流电源。线性电源（Linear power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电源进行稳压。线性电源体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压。二，升压斩波电路。由脉宽调制芯片TL494为控制器构成BOOST原理的，实现升压型DC-DC变换器，输出电压的可调整与稳压控制的开关源是借助晶体管的开/关实现的。因此选择方案二。

设计要求：设计要求是输出电压Uo=220V可调的DC/DC变换器，这里为升压斩波电路。由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。MOSFET的通断用PWM控制，用PWM方式来控制MOSFET的通断需要使用脉宽调制器TL494来产

生PWM控制信号。

设计方案：

1、电源电路

电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路，220V单相交流电经220V/24V变压器，降为24V交流电，再经二极管不控整流电路及滤波电容滤波后，变为平直的直流电，其幅值在22V~36V之间。

2、主电路

2.1主电路选用升压斩波电路，开关管选用电力MOSFET。

2.2Boost电路的负载为110V、25W白炽灯，

2.3boost电路中，占空比不要超过65%，否则电压大于100V。

3、控制电路的选择与确定

3.1 脉冲发生器TL494

3.2 驱动电路IR2110

二．设计原理分析

2．1总体结构分析

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。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。

直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。如图2—1所示：

图(2-1)

2.2直流电源设计

小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图如图2.1所示：

图 2.1

在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压2U 变换成脉动的直流电压3U 。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压3U 中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压I U 。I U 与交流电压2U 的有效值的关系为：2)2.1~1.1(U U I =；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：22U U RM

=

；流过每只二极管的平均电流为：R

U I I R D 2

45.02==

整流电路设计如下：

电源 变压器 整流 电路 升压 斩 波 电 路

滤波电路

控制和驱动电路

保护电路

U 2R L

U o ＝45V ＋－

220V ～C

T

＋＋－

＋－

图（2-3）

2.3主电路工作原理

假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

图（2-4）

首先假设电路中电感和电容值都足够大。当可控开关S处于导通状态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电。因为电容C的值很大，基本保持输出电压U0为恒值。设S处于导通的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为：on

E t

I1当S处于断态时，E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设T处于断态的时间为t off，则在此期间电感释放的能量为：

off

1

s

0t

)I

V

U

(-

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等

化简得：

以上为升压斩波电路的工作原理。

()

off

o

on

t I

E

U

t

EI

1

1

-

=

E

t

T

E

t

t

t

U

off

off

off

on

o

=

+

=

电感的选择

根据电感最大贮能值0. 5 ×L ×I ×I 确定电感峰值电流I max= I o + 2 ×V o T off / L（T off 为关断时间）,匝数N应进行取整，当匝数少电流大时，应尽量避免取半匝的情况。经计算后选取电感量为10 mH,电容为4 700μF。

当MOSFET 处于导通时，得 1

1M di L Ri E dt

+= 设1i 的初值为10I ，解上式得 1101t

t M E i I e

e R τ

τ--

??=+- ???

当MOSFET 处于关断时，设电动机电枢电流为2i ，得

2

2M di L

Ri E E dt

+=- 设2i 的初值为20I ，解上式得

2201on

on t t t t M E E i I e

e R τ

τ---

-

??-=-- ???

当电流连续时，从图 2-6 的电流波形可看出，

t

=on t 时刻

1i =20I ，t =T 时刻2i =10I ，由此可得

20101on

on t t

M E I I e

e R τ

τ-

-??=+- ???

ff

off 10201o t t M E E I I e

e R τ

τ-

-??-=+- ???

故由上两式求得：

off 101111t

M T E e E e E

I m R R e R e βρ

τ

ρτ----

?

???-- ?=-=- ? ?-?? ?

-?

?

on

2011t T M T E e e E e e E

I m R R e R

e αρρ

τ

τ

ρτ------

????-- ?=-=-

? ?-?? ?

-?

?

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 E E

I m R R

ββ-=-= 当电流断续时的波形如图2-6所示。当t =0时刻 1i =10I =0，令式 （1-10）中10I =0即可求出20I ，进而可写出2i 的表达式。另外，当

t =2t 时，2i =0，可求得2i 持续的时间x t ，即

on

n

1l 1t x me m

t τ

τ--=-

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

11e m e βρ

ρ

---<-

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触发电路的设计

TL494CN 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下：

1.集成了全部的脉宽调制电路。

2.片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。

3.内置误差放大器。

4.内止5V 参考基准电压源。

5.可调整死区时间。

6.内置功率晶体管可提供500mA 的驱动能力。

7.推或拉两种输出方式。 1TL494引脚图

图（2-7）

TL494工作原理简述

TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为死区时间比较器，具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容，5脚可以产生锯齿波，所产生的锯