直流升降压斩波电路

课程设计说明书

直流升降压斩波电路的设计

院、部：电气与信息工程学院

学生：

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：

完成时间：

摘要

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。本文着重介绍直流升降压斩波电路的原理和基于MATLAB的Simulink的直流升降压斩波电路的仿真。

关键词：直流—直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真

ABSTRACT

Since the 1980s, electronic information technology and power electronics technology development on the basis of their relative combine to produce a generation of high-frequency, full-controlled power electronic devices, there is a typical representative of

gate-turn-off thyristor, power transistors, power field effect transistor and an insulated gate bipolar transistor. The use of full-controlled device may be composed of the converter. DC - DC converter is one of them, it is widely used in telecommunications switches, computers and mobile phones and other electronic devices switching power supply. DC - DC converter circuit (DC-DC Converter) function is to direct current voltage into another fixed or adjustable DC voltage, direct-current converter circuit including direct and indirect DC converter circuit. Direct DC

converter circuit is also known as a chopper circuit (DC Chopper), its function is to direct current voltage into another fixed or adjustable DC voltage. This article focuses on the DC-down chopper circuit principle and based on MATLAB Simulink DC buck converter circuit simulation.

Key words:DC-DC converter circuit; Lift pressure chopper; Simulink; Simulation

1升降压斩波电路的原理1

1.1基本原理1

1.2波形图 2

2控制和驱动电路 3

3保护电路及其他辅助电路 4

3.1保护电路 4

3.1.1过电压保护4

3.1.2过电流保护5

3.2直流供电电源5

3.3器件选择 6

4仿真分析 6

4.1建立仿真模型6

4.2仿真结果分析7

5设计总结 8

参考文献9

附录10

1升降压斩波电路及基本原理

1.1工作原理

图1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1 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 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 (2-1) 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 α

α-=-==10 (2-2) 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。

1.2波形图输出电压E E t t U off on O α

α-==1 图2.4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

on t t I I =21 由上式可得1121I I t t I on off

αα-==

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2 升降压斩波电路波形

2 SG3525控制和驱动电路

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，增加了驱动功能；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。

其特点如下：

（1）工作电压围宽：8—35V。

（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。

（3）振荡器工作频率围宽：100Hz—400KHz.

（4）具有振荡器外部同步功能。

（5）死区时间可调。

（6）置软启动电路。

（7）具有输入欠电压锁定功能。

（8）具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。

（9）逐个脉冲关断。

（10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。

SG3525置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压围，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525部结构如图3所示，直流电源

V从脚15 接入后分两路，一路加到

或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5 须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。其他引脚分别为：引脚1为反相输入，2为同相输入引脚，3为同步端引脚，4为振荡器输出引脚，7为放电端引脚，8为软启动端引脚，9为补偿引脚，10为闭锁控制引脚，引脚12接地。部结构如下：

图3 控制和驱动电路

3保护电路及其它辅助电路的设计

3.1保护电路

电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必须的。

3.1.1抑制过电压的方法：

用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。

对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC

吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图所示。

3.1.2抑制过电流的方法：

常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。

快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。

因此，最佳方案是用快速熔断器保护。

图5 快速熔断器

3.2直流供电电路

图6直流电源

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

2)5~3(d T C R L =τ

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

的关系为

。

令整流后输出电压为200V ，则整流前输入电压 2U =i U /1.2=200/1.2=166.7V

因为电源为交流单项220V ，变压器变比需满足

1U ：2U =220:166.7=1:1

此时前级整流输出电压E 为200V 。并且为满足输出电流o I 最大2A ，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为，VT I =o I /2=1A 。

变压器二次侧的电流2A ，由变压器变比为1:1，流过一次侧的电流为2A 。

3.3器件选择

要求输出直流电压o U 在100~300V 可调，由输出电压公式E U O αα-=1可知，当o U 为100V 时，占空比α=1/3；当o U 为300V 时，占空比α=3/5。即控制占空比α在1/3~3/5之间，可得输出直流电压o U 在100~300V 可调。

为使电路正常工作驱动电路中R1、R2为1K Ω，R3为5.1K Ω，R4为10K Ω，电位器R0为0~10K Ω，R5为10K Ω。

要求最大输出电流为2A，故负载功率围为20~200W，流过VT二极管、V 三极管的最大电流为2A。熔断器的最大熔断电流为2A。可选WICKMANN 181 2A陶瓷管保险丝。

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仿真分析

4.1建立仿真模型

在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，

它不但非常方便而且能够在很大程度围减少因设计问题而造成的浪费。

这里的仿真主要是运用MATLAB软件中的Simulink工具。先从Simulink 的元件库中找到需要用的元件，然后搭建相应的主电路，设置好参数后即可进行仿真。仿真电路图如下所示：

图7仿真电路图

4.2仿真结果分析（1）当占空比K=50%时，如果输入电压E =100V ，则E U O α

α-=1=0.5×100÷（1-0.5）=100V ，这时输出电压等于输入电压，是等压式变换，如图8所示

图8 仿真波形图1

（2）当占空比α=70%时，如果输入电压E =100V ，则E U O α

α-=1=0.7×100÷（1-0.7）=700/3V=233V ，这时输出电压高于输入电压，是升压式变换，如

图9所示。图9 仿真波形图2

（3）当占空比α=30%时，如果输入电压E =100V ，则E U O α

α-=1=0.3×100÷（1-0.3）=300/7V=43V ，这时输出电压低于输入电压，是降压式变换，如图

10所示。

图10 仿真波形图3

5设计总结

通过这次课程设计，让我对电力电子技术有了更深的认识，让我进一步了解

了电力电子器件。在这次课程设计中我主要担任电路仿真的工作，虽然在此期间遇到了很多困难，重复了很多遍都没有仿成功，但是经过查找资料，向老师同学请教，之后得到你要的结果时，那种喜悦感，那种兴奋感如果没有这一过程是无法体会的。仿真让我进一步学习了MATLAB软件，学会了很多关于仿真的知识。当然，此过程少不了老师的付出和同学合作。这次的设计也让我认识到了理论与实际结合的重要性。

参考文献

[1]王兆安主编, 电力电子技术.第四版.:机械工业.2004.1

[2]贾立柱，晓龙，基于MATLAB的升降压斩波电路的仿真[J].：华北电力大学. [3曲永印主编, 电力电子技术.:机械工业.2013.3

附录