升压斩波电路课程设计

课程设计说明书

升压直流斩波

院、部：电气与信息工程学院学生姓名：唐浩

指导教师：肖文英职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：电气本1205班

完成时间： 2015年5月26日

摘要

斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可5调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流直流变流电路或直交直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：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斩波电路和Zeta 斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

关键字：直流斩波；升压斩波；变压器

ABSTRACT

Current chopper circuit as a fixed voltage or DC into another adjustable voltage DC - DC converter, including direct and indirect DC DC converter circuit converter circuit. Dc converter circuit is also called directly

Chopper circuit, its function is to change the dc into another fixed voltage or 5 adjustable voltage direct current (dc), generally refers to the directly to the direct current into another, this kind of circumstance not isolation between the input and output. Indirect dc converter circuit is in the dc converter circuit increases the communication link, usually in the communication link between the input and output is realized by using transformer isolation, therefore also calls the dc dc converter circuit with isolation or rectangular straight circuit. Kinds of dc chopper circuit has a lot of, including six basic chopper circuit: buck chopper circuit, boost chopper circuit, buck chopper circuit, Cuk chopper circuit, Sepic chopper circuit and Zeta

Chopper circuit, using a combination of different chopper circuit can conform to the chopper circuit, such as current reversible chopper circuit, bridge type reversible chopper circuit, etc. Using basic chopper circuit on the structure of the same combination, can constitute a heterogeneous multiple chopper circuit.

Keywords: dc chopper; boost chopper; transformer

目录

第1章绪论 (1)

第2章升压直流斩波电路的设计思想 (3)

2.1升压直流斩波电路原理 (3)

2.2参数计算 (4)

第3章升压直流斩波电路驱动电路设计 (5)

第4章升压直流斩波电路保护电路设计 (6)

4.1过电流保护电路 (6)

4.2过电压保护电路 (6)

第5章升压直流斩波电路总电路的设计 (8)

第6章升压直流斩波电路仿真 (9)

6.1仿真模型的选择 (9)

6.2仿真结果及分析 (9)

第7章设计总结 (12)

参考文献 (13)

致谢 (15)

附录 (16)

第1章绪论

升压直流电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。

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。

1.1主要元件介绍

1.1.1 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，实现升压直流。

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。

1.1.2 驱动电路M57962L简介

M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路(Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Modules) 。在驱动模块内部装有2500V 高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。M57962L是一种高速驱动电路，驱动信号延时tPLH 和tPHL最大为1.50μs。可以驱动600V/400V 级的IGBT模块。M57962L工作程序:当电源接通后，首

先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路， IGBT 的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。

1.1.3 M57962L的工作原理

M57962L采用双电源+ Vcc和VEE ，原理结构图如图1-1所示。电路组成： (1) 放大隔离电路； (2) 定时复位电路；(3) 过流检测电路； (4) 过流输出电路。

图1-1 M57962L原理机构图

第2章 升压直流斩波电路的设计思想

2.1升压直流斩波电路原理

升压直流变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1-2所示。

在电路中V 导通时，电流由E 经 升压电感L 和V 形成回路，电感 L 储能；当V 关断时，电感产生 的反电动势和直流电源电压方向

相同互相叠加，从而在负载侧得到 图2-1 升压直流斩波电路原理图 高于电源的电压，二极管的作用是阻断V 导通是，电容的放电回路。调节开关器件V 的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。

假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为1I ，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压0u 为恒值,记为0U 。设V 通的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为E 1I on t 。

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off t ，则此期间电感L 释放能量为：

off t 10E)I -(U （1-1）

稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等

off on t I E U t 101)(EI -= （1-2）

化简得：

E t T

E t t off

off

off

on =

+=

t U 0 （1-3） 上式中1t T

off

≥，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

off t T

——升压比，调节其即可改变0U 。将升压比的倒数记作β，即T off

t =β。和导通占空比，有如下关系：

1=+βα （1-4）

因此，式（1-2）可表示为：

E -11

E 1

U 0α

β

=

=

（1-5） 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V 处于通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo 不变，但实际上C 值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U 。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C 值足够大时，误差很小，基本可以忽略。

2.2参数计算

由直流斩波电路的原理可知

E t T

E t t off

off

off

on =

+=

t U 0 （1-6） 又输入电压为输入直流电压范围：50V~100V ，要求输出直流电压：80V 。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT 关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得：

173

856≤≤β （1-7） 又因为要求输出功率P=100W, 0U =340V

P R

U 2

= （1-8） 得： R=Ω1156 （1-9）

升压电路所用全控型晶闸管IGBT 是电压型驱动器件。IGBT 的栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻使IGBT 开通的栅射极间的驱动电压一般取15—20V 。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5—-15V ）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。

IGBT 的驱动多采用专用的混合驱动集成驱动器，本次采用M57962L 驱动器。如图2-2驱动电路图所示。又由产品信息知M57962L 驱动器内部具有退饱和和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT ，并向外部电路发出故障信号。

4700

100μF

100μF

3.1

M57962L

30V 8

1

5

4

6

-10V

+15V +5V

u i

14

13

图3-1升压直流斩波驱动电路

4.1过电流保护电路

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。通常采用的保护措施有：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图3-1电流保护电路所示。

图4-1升压直流斩波电路过流保护电路

对于所选的保险丝，遵从t2I值小于晶闸管的允许t2I值。

4.2过电压保护电路

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室内，为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。

操作过电压是由分闸、合闸的开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦合过来。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压，关断过电压。

根据以上产生过电压的的各种原因，设计相应的保护电路。如图2-4过压保护电路所示。其中：图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升，从而使得电力电子器件IGBT管因电压的的过高厄尔损坏。

图4-2中的电阻可以是1KΩ左右的电阻，而电容的值可以为100μF左右，这样形成一个保护电路。

图4-2直流斩波电路过电压保护电路

第5章 升压直流斩波电路总电路的设计

如图5-1总电路设计图所示。电路由升压电路，驱动模块、保护模块、缓冲电路组成。

C2C3

VD1

M57962L

VW38

1

54

6

-10V +15V

NO

+5V

u i

14

13

V

R1L

R

C

VD

电压输入

VW1

VW2

R1

R2

C1

图5-1升压直流斩波电路总电路

由M57862L 芯片为核心构成的驱动电路，控制IGBT 的导通和关断时间，从而控制电路的升压比β，使其达到：

173

856≤≤β （5-1） 进而使输出电压达到目的值。

升压电路时整个电路的核心，由一个IGBT 和电容、电感值都很大的电容电感各一个。R 为输出负载，电压由此输出。因为输出功率是一定的100W ，从而R 为定值1156Ω。其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。

第6章升压直流斩波电路仿真

6.1仿真模型的选择

在本次的设计中，采用了Matlab软件作为仿真工具来进行电路的模拟。首先画出电路的结构图如下所示：

图6-1升压直流斩波电路仿真电路模拟图

由上图中我们可以看到，在电路中，在IGBT的两端加了脉冲触发电压，控制开关的关断，以便得到升压的电压。

6.2仿真结果及分析

6.2.1仿真电路及其仿真结果

(1).仿真电路图

(2)MATLAB的.仿真结果如下：

图6.3 =0.2时的仿真结果

图6.4=0.4时的仿真结果

图6.5 =0.6时的仿真结果

图6.6 =0.8时的仿真结果

图6,7 =0.99时的仿真结果

(3)仿真结果分析

由公式可得：

当时，=44

=0.4时，=88。

=0.6时，=132。

=0.8时，=176。

=0.99时，=217.8。

上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以没有误差。

第7章设计总结

经过不懈的努力我终于顺利的完成了此次升压直流斩波电路的仿真，其中遇到了许多的问题和困难，但是也学到了很多的知识。

遇到的问题和困难：

1.由于事先理论知识预习的不够充分，所以很多计算问题困难重重，再次花费

大量时间去研究，造成实验进度大大减速，效率降低。

2.选取实验元器件时，由于缺乏实际操作经验，常常出现用错元器件，造成实

验数据误差很大，重复实验多次。

3.在用MATLAB软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时

间才达到有效效果。

学到的知识：

(1)通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。

(2)对直流斩波电路有了更深层次的理解。

(3)对MATLAB软件和电路原理图的设计有了初步了解。

参考文献

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Wang Yunliang editor, power electronics technology. The first edition. Beijing. Electronic industry press. 2004.8

致谢

在这次课程设计制作中，我得到了许多人的帮助。

首先要感谢肖文英老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次课程设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。

最后一次感谢所有在设计上帮助过我的老师和同学。

附录