升压斩波(boost+chopper)电路设计

电力电子技术课程设计报告题目：升压斩波（boost chopper）电路设计

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前言

******************************************************* ****2

MATlAB仿真设计***********************************************6

硬件实验******************************************************* **14

参考文献******************************************************* **19

附录一设计任务书*************************************20 附录二PROTEL简介****************************************21 附录三MATLAB简介****************************************24

升压斩波电路（Boost Chopper ）设计 一、前言

1.Boost Chopper 工作原理：

图 1.1升压斩波电路图

图 1.1中假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为I 1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压u o 为恒值，记为U o 。设V 通的时间为t o n ，此阶段L 上积蓄的能量为E I 1t o n

V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。设V 断的时间为t o f f ，则此期间电感L 释放能量为()o f f o t I E U 1- 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等

()off o on t I E U t EI 11-=

化简得：

E t T E t t t U off

off

off

on o =

+=

（1）

1/≥off t T ，

输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之

为bo os t 变换器

off

t T /——升压比，调节其即可改变U o 。将升压比的倒数记作

β，即T

t o f f

=

β

。β和导通占空比α有如下关系：

1=+βα （2）

因此，式（1）可表示为

E E U o α

β

-=

=

111

（3）

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：L 储能之后具有使电压泵升的作用，电容C 可将输出电压保持住。

2.升压斩波电路的典型应用：

1) 直流电动机传动

2) 单相功率因数校正（P ow e r F ac t o r C or r e c t i o n —P FC ）电路 3) 用于其他交直流电源中 4) 用于直流电动机传动时

图1.2用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图

a ) 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源

b ) 实际L 值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和

断续两种工作状态

c ) 电机反电动势相当于图 1.1中的电源，此时直流电源相当

于图 1.1中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。

电路分析

基于“分段线性”的思想进行解析

V 处于通态时，设电动机电枢电流为i 1，得下式

m E Ri t

i L

=+11d d （5）

式中R 为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i 1的初值为I 10，解上式得

???

?

?

?

-+

=--

ττ

t m t

e R E e

I i 1101

（6）

当V 处于断态时，设电动机电枢电流为i 2，得下式：

E E Ri t

i L

m -=+22d d （7）

设i 2的初值为I 20，解上式得：

??

?

?

?

?

---

=--

ττ

t m t

e R E E e

I i 1202 （8） 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：

图1.3电流连续升压斩波电路波形

图1.4电流断续升压斩波电路波形

当电流连续时，从图 1.3的电流波形可看出，t =t o n 时刻i 1=I 20，

t =t o f f 时刻i 2=I 10，由此可得：

R E e e

m R E e

e R E I T

t m

off

??

?

? ??---=????

?

??---=----ρβρτ

τ111110

（9） R E e e

e m R E e e e R E I T

T

t m

on ??

?

? ??---=????

? ?

?---=------ρραρτ

ττ1120

（10） 把上面两式用泰勒级数线性近似，得

()

R

E m I I β

-==2010 （11）

该式表示了L 为无穷大时电枢电流的平均值I o ，即

()

R

E

E R

E m I m o ββ

-=

-= （12）

对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为

ρ

βρ----<

e

e

m 11 （13）

根据此式可对电路的工作状态作出判断。

3.设计目的

1) 通过对B oo st C ho pp e r 电路的设计，掌握B oo st C ho pp er 电路

的工作原理，综合运用所学知识，进行B oo s t C h op p e r 电路和系统设计的能力。

2) 了解与熟悉B o os t C ho pp e r 电路拓扑、控制方法。

3) 理解合掌握B o os t C ho pp e r 电路及系统的主电路、控制电路和

保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。 4) 遇有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力

4.设计内容及要求

对B oo s r C h op p e r 电路的主电路和控制电路进行设计。参数如下：

直流电压E =50V ，负载中R =20Ω，L 、C 值极大

，

=30V

设计要求：

1) 理论设计：了解掌握B o os t C h op p er 电路的工作原理，设计

B o o st

C h op p e r 电路的主电路和控制电路。包括： a ) IG B T 电流、电压额定的选择 b ) 驱动、保护电路的设计

c ) 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

d ) 列出主电路所用元器件的明细表

2) 仿真实验：利用M a t l a b 仿真软件对B o o s t C h op p e r 电路主电

路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。

3) 实际制作：利用P R O TE l 软件会出原理图，结合具体所用元

器件管脚数、外形尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计P C B 印刷电路板。最后完成系统电路的组装、调试。

二、MATlAB 仿真设计

主电路原理图如图2.1所示

图2.1主电路原理图

其工作原理，前言中已说明，这里再补充说明电路中的几个模块。

1)IGBT用理想的方波发生器触发，周期设为0.002s，最大值设为10V，通过

调占空比来调输出电压。其保护电路，触发电路将在protel中实现。

2)示波器用来观察电感电流，方波发生器的输出波形，电源电压波形和负载电

压输出波形

仿真结果与分析

1.占空比一定，改变电压时对主电路的影响

占空比50%，=20V时的输出波形如下：

图2.1占空比为50%，=20时的波形占空比为50%，=30V时输出波形如下:

图2.2占空比为50%，=30时的波形

占空比为50%，=50V时的输出波形：

图2.3占空比为50%，=50时的波形

由仿真波形可看出，当占空比不变时，随着电压的增加，峰值电压逐渐

减小，震荡幅度减小，电路安全行，稳定性提高。

2.占空比，一定，改变LC的取值，研究其对电路的影响，并求出最佳

LC组合

占空比为50%，=30V，L=10H,C=10F时的波形：

图2.4占空比为50%，=30V，L=10H,C=10F时的波形

占空比为50%，=30V ，L=20H,C=20F时的波形：

图2.5占空比为50%，=30V，L=20H,C=10F时的波形

3.E、R、不变L=10e-3H、α=50%时，只调节电容C的值输出电压波形

C=50e-3F时输出波形

图2.6 C=50e-3F ，L=10e-3H，α=50%时的波形

C=2e-3F时输出的波形

图2.7 C=2e-3F ，L=10e-3H，α=50%时的波形

4.E、R、的值不变C=10e-3F、α=50时，只调节电感L的值输出电压波

形

L=50e-3H时的输出波形

图2.8 C=50e-3F ，L=50e-3H，α=50%时的波形

L=2e-3H时的输出波形

图2.9 C=50e-3F ，L=2e-3H，α=50%时的波形

5.E、R、的值不变L=10e-3H、C=10e-3F时，调节占空比的输出电压波

形

占空比α=20%时输的波形

图2.10 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=20%时的波形

占空比α=50%时输的波形

图2.11 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=50%时的波形

占空比α=80%时输的波形

图2.12 C=10e-3F ，L=10-3FH，α=80%时的波形

由以上单一变量的仿真图形分析可得：

1)占空比α越大负载输出电压越大，调节时间越长

2)电容C值越大峰值时间越大，第一个峰值越大

3)电感L值越大峰值时间越大，调节时间越大

在实际中可根据项目的大小、设计的实际要求及成本的大小选取适当的电感电容值，以达到设计的要求。（可以在一些经验值附近选取电感电容值，滨进行反复的试验最中确定自己需要的电感电容值）

这里仅根据要有良好的直流稳定性和快速性，在α=50时经过大量的仿真实验选取的一组理想的电容电感值，及其此时的输出波形。

经大量仿真结果比较分析可得，当L =10e-3H、C=10e-3F是波形的快速性和直流稳定性比较理想。此时波形如图2.4所示。

6.如果其他量不变改变负载电阻R值的大小将是Booste Chopper电路工作

在电感电流连续和断续两种状态。

E=50V、L=10e-3H、C=10e-3F、α=50、=30V不变

R=20Ω时电感L的电流波形

图2-13R=20Ω时电感L的电流波形

R=100Ω时电感L的电流波形

图2-14 R=100Ω时电感L的电流波形

仿真实验结论

通过仿真实验和对仿真实验得到的输出波形的分析可知，在直流生涯斩波电路中电感电容的对其负载电压的影响。虽然理想的电感电容值为无穷大，但这在现实设计中是不可能实现的。如选取电感电容值极大这必将和减小成本成为矛盾，而且由以上的仿真分析可知它也将和Boost启动时调节时间成为矛盾。所以在设计时要综合考虑多方面的因素来选取合适的电感电容值！

三、硬件实验

1)硬件电路

硬件电路的工作原理分析

外接220V交流电压经过变压器T1和不控整流电路得到50V的直流电压E 作为Boost Chopper 的输入电压给Boost Chopper供电。为使IGBT在过压时不至于损害和抑制IGBT的电流变化过快及其两端电压变化过快而给IGBT带来的损害，在主电路中为其加入缓冲电路和过压保护电路是必要的。

触发电路以专用的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形，占空比受Uco的控制（如图1-13）。触发电路输出的矩形波经光耦合驱动电路控制主电路中I GBT的开通和关断。

电路设计好后主电路中的电感电容值已确定，此时只要调节触发波形的占空比即可调节Boost Chopper输出电压。

硬件电路图如下页图2-15所示。

触发电路以专用的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形，占空比受Uco的控制（如图1-13）。触发电路输出的矩形波经光耦合驱动电路控制主电路中I GBT的开通和关断。

电路设计好后主电路中的电感电容值已确定，此时只要调节触发波形的占空比即可调节Boost Chopper输出电压。占空比越大，Boost Chopper的输出电压值越大。

图2-15 boost chopper DXP图

2)元器件的选取及计算

本硬件试验中缓冲电路选取的是充放电型RCDH缓冲电路，也是一种耗能型缓冲电路。其中应用元件需要要结合实际的情况进行选择。其中的吸收电容的选择可以采用一下公式：

电路中的电阻Rs不宜过大，如太大放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太

小，在器件导通时，Rs放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能

引起振荡。一般的，电阻选择参考下面的公式：

其中 Ls—主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；

上的最大充电电压；—电源电压； Io-负载电流;

—开关频率。

需要注意的是，电容应该选择无感电容；电阻要注意它的功耗，应选择相应的功率电阻；吸收模块的制作要注意绝缘。

IGBTG过压保护电路、触发电路和驱动电路中元器件的选取可才参照电力电子设备设计和应用技术手册等相关电力电子设计手册也可以在后面参考文献列出的相关手册中查找。

3)硬件实现

利用PROTEL DXP做得自动布线图如下

图2-16 自动布线图

手动布线图如下：

图2-17 手动布线图