电气工程boost斩波电路升压斩波电路电力电子技术课程设计报告书

目录

摘要 ........................................................ 错误!未定义书签。

1 BOOST斩波电路工作原理................................................ - 1 -

1.1 主电路工作原理................................................. - 1 -

1.2 控制电路选择................................................... - 1 -

2 硬件调试 .............................................................. -

3 -

2.1 电源电路设计................................................... - 3 -

2.2 升压（boost）斩波电路主电路设计................................ - 4 -

2.3 控制电路设计................................................... - 5 -

2.4 驱动电路设计................................................... - 8 -

2.5 保护电路设计................................................... - 9 -

2.5.1 过压保护电路............................................. - 9 -

2.5.2 过流保护电路............................................ - 10 -

2.6 直流升压斩波电路总电路........................................ - 11 - 3总结.................................................................. - 12 - 4参考文献.............................................................. - 12 -

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。另外还有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts 不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）。本设计是基于SG3525芯片为核心控制的脉宽调制方式的升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。Multisim主要是仿真分析，借助其强大的仿真功能可以很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，利用软件自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。第二部分是硬件电路设计，它通过软件设计完成。

关键字：直流斩波；PWM；SG3525

图1-1 直流升压斩波电路原理1 BOOST 斩波电路工作原理

1.1 主电路工作原理

本实验主电路是直流升压斩波电路即boost

斩波电路。 直流升压变流器用于需要提升直流电压的

场合，其理图如图1-1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。负载侧输出电压的平均值为:

（1-1）

式中T 为V 开关周期,on t 为导通时间，ott t 为关断时间。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。 1.2 控制电路选择

控制电路选用SG3525产生脉冲，再利用TLP250作为驱动，最终利用MOSFET 管来实现对主电路的控制，最终电路如图1-2、图1-3所示。

E t T E t t t U off off off on o =+=

2

图1-2 SG3525脉冲产生电路

图1-3 TLP250脉冲驱动电路

2 硬件调试

2.1 电源电路设计

本课设采用的是电容滤波的单相桥式不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。其工作原理图如下：

图 2-1a 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形

主要的数量关系 （以电阻负载为例）：

1） 输出电压平均值

整流电压平均值Ud 可根据输出波形及有关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时，22U U d =。重载时， Ud 逐渐趋近于0.9U2， 即趋近于接近电阻负载时的特性。

通常在设计时根据负载的情况选择电容C 值，使，T 为交流电源的周期，此时输出电压为： Ud ≈ 1.2 U2 。

图 2-1b 电容滤波的单相不可控整流电路输出电压与输出电流的关系

2） 电流平均值 输出电流平均值R I 为：

R U I d R /= R d I I = 二极管电流iD 平均值为 ：2/2/i d R d I I ==

3） 二极管承受的电压：2U 2

2.2升压（boost）斩波电路主电路设计

1）升压斩波电路的原理图如图所示：

图 2-2a 升压斩波电路原理图

图2-2a中假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton；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toff，则此期间电感L释放能量为()

off

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

1

1

-

=

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boost变换器。off

t

T/

表示升压比，调节其大小即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即T

t

off

=

β

。β和导通占空比α有如下关系：

1

=

+β

α

（2）

因此，式（1）可表示为

E

E

U

oα

β-

=

=

1

1

1

（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）主电路工作原理

图 2-2b 主电路工作原理图

其中示波器观察控制电路输出脉冲的宽度和幅值，电压表分别用来测电源、MOSFET、负载的电压。直流电源需通过电源电路变压整流获得；PMW波由基于SG3525的控制电路产生，以控制MOSFET的通断。其工作原理已在上面说过。

2.3控制电路设计

随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。为此，美国硅通用半导体公司推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET。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，增加了驱动能力；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。控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于可控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制电路还具有一定的保护功能。我们采取的是由电压调节芯片SG3525为核心组成的控制电路。SG3525 的管脚如图所示

图 2-3a SG3525管脚图

其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 有一个双门限比较器，电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片误差放大器的反相输入端、同相输入端。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和输入脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。各管脚具体功能如下：

1 脚：误差放大器的反相输入端；

2 脚：误差放大器的同相输入端；

3 脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率f s 要低一些；

4 脚：振荡器输出；

5 脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率f s＝1/CT（0.7RT+3R0）,R0为5脚与7脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容围为0.001～0.1 μF；

6 脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150 kΩ；

7 脚：振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻围为0～500 Ω；

8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由部V

的50μA恒流源充电；

ref

9 脚：误差放大器的输出端；

10脚：PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；

11脚：A路驱动信号输出；

12脚：接地；

13脚：输出集电极电压；

14脚：B路驱动信号输出；

15脚：电源，其围为8～35 V，通常采用+15V；

16脚：部＋5 V基准电压输出。

SG3525芯片部结构如图所示

图 2-3b SG3525部结构图

SG3525芯片部集成了精密基准电源、误差放大器、带同步功能的振荡器、脉冲同步触发器、图腾柱式输出晶体管、PWM比较器、PWM锁存器、软启动电路、关断电路和欠压锁定电路。

芯片+5.1V基准电压精度为±1%，由于基准电压值在误差放大器的输入共模围，因此，无须外接电阻。SG3525可以工作在主从模式，也可以与外部时钟同步。通过CT端(引脚⑤) 与放电端之间的电阻可以设置死区时间。