升压斩波电路设计

湖南工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术题目升压斩波电源设计专业班级电气工及其自动化学生姓名王振林学号200713010505指导老师颜渐德审批谢卫才任务书下达日期2010年5月17日设计完成日期2010年5月28日设计内容与设计要求输入直流电源：24V10%直流输出电压：320V电压在电流额定值之内保持不变直流输出电流额定值10A一．设计内容选择一个单片机构成一个系统斩波电路的选择IGBT电流、电压额定的选择电力二极管，电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图写出控制流程列出主电路所用元器件的明细表二．设计要求1.给出整体设计框图，画出系统的完整的原理图(用protel99软件绘制)；2.说明所选器件的型号，参数。给出具体电路画出电路原理图；说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计总体思路，基本原理和框图；5.相关计算及器件选型;6.电路设计；7.总结与体会；8.附录；9.参考文献；10.课程设计的原理图。进度安排十二周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十二周星期一——十二周星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。十三周星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。参考文献电力电子技术王兆安机械工业出版社［2］康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版).[北京]:高等教育出版社,1998［3］张义和.ProtelDXP电路设计快速入门.[北京]:中国铁道出版社,2003[4]张乃国．电源技术．北京：中国电力出版社，1998[5]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001摘要本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boostchopper）.设计由Matlab仿真和Protel两大部分构成。Matlab主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到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。第二部分是电路板，它可以通过Protel设计完成，其中Protel原理图设计系统以其分层次的设计环境，强大的元件及元件库的组织功能，方便易用的连线工具，强大的编辑功能设计检验，与印制电路板设计系统的紧密连接，自定义原理图模板高质量的输出等等优点，和丰富的设计法则，易用的编辑环境，轻松的交互性手动布线，简便的封装形式的编辑及组织，高智能的基于形状的自定布线功能，万无一失的设计检验等印制电路板设计系统的优点，使其在我们学生选用PCB电路板设计软件中占了绝大部分比重。本设计也采用Protel设计原理图，和进行PCB板布线。它是本设计从理论到实际制作的必进途径，通过设定相应的规则，足以满足设计所要求的规定。引言直流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,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斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波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。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问题；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。1.逆变电源工作原理1.1DC/AC变换采用单相输出，全桥逆变形式，为减小逆变电源的体积，降低成本，输出使用工频LC滤波。由4个IRF740构成桥式逆变电路，IRF740最高耐压400V，电流10A，功耗125W，利用半桥驱动器IR2110提供驱动信号，其输入波形由SG3524提供，同理可调节该SG3524的输出驱动波形的D50％，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，同时还具有快速完整的保护功能，可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。是中小功率变换装置中驱动器件的首选。欠电压检测脉冲放大脉冲滤波RQRS欠电压检测延时VDD/VCC电平转换器VDD/VCC电平转换器SRQRQS高电平转换VDDHINSDLINVSSHOCOMLOVSVBVCC图6IR2110内部框图LO（引脚1）:低端输出COM（引脚2）:公共端Vcc（引脚3）:低端固定电源电压Nc（引脚4）:空端Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压VB(引脚6):高端浮置电源电压HO（引脚7）:高端输出Nc（引脚8）:空端VDD（引脚9）:逻辑电源电压HIN（引脚10）:逻辑高端输入SD（引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNc（引脚14）:空端IR2110的内部结构和工作原理框图如图6所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的MOSFET。IR2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供10～20V的隔离电源，本电路采用了1μF的自举电容。为了减少输出谐波，逆变器DC/AC部分一般都采用双极性调制，即逆变桥的对管是高频互补通和关断的。1.2逆变桥逆变：逆变桥部分，采用IGBT作为功率开关管。由于IGBT寄生电容和线路寄生电感的存在，同一桥臂的开关管在开关工作时相互会产生干扰，这种干扰主要体现在开关管门极上。如图3实际电路中，IR2110的输出推挽电路,这个电压尖刺幅值随母线电压VB、VS和负载电流的增大而增大，可能达到足以导致T2瞬间误导通的幅值，这时桥臂就会形成直通，造成电路烧毁。同样地，当T2开通时，Ｔ１的门极也会有电压尖刺产生。带有门极关断箝位电路的驱动电路通过减小RS和改善电路布线可以使这个电压尖刺有所降低，但均不能达到可靠防止桥臂直通的要求。本文将提出一种门极关断箝位电路，通过在开关管驱动电路中附加这种电路，可以有效地降低上述门极尖刺。门极关断箝位电路由MOSFET管MC1和MC2,MC1门极下拉电阻RC1和MC2门极上拉电阻RC2组成。实际上该电路是由MOSFET构成的两级反相器。当MC1门极为高电平时，MC1导通，MC2因门极为低电平而关断，不影响功率开关管的正常导通；当MC1门极为低电平时，MC1关断，MC2因门极为高电平而饱和导通，从而在功率开关管的门极形成了一个极低阻抗的通路，将功率开关管的门极电压箝位在0V，基本上消除了上文中提到的电压尖刺。在使用这个电路时，要注意使MC2D、S与功率开关管GE间的连线尽量短，以最大限度地降低功率开关管门极寄生电感和电阻。在电路板的排布上，MC２要尽量靠近功率开关管，而MC1,RC1和RC2却不必太靠近MC2，这样既可以发挥该电路的作用，也不至于给电路板的排布带来很大困难。可以看到在门极有一个电压尖刺，这个尖刺与门极脉冲的时间间隔刚好等于死区时间，由此可以证明它是在同一桥臂另一开关管开通时产生的。此时电压尖刺基本消除。通过实验验证，该电路确实可以抑制和消除干扰，有一定的使用价值，可以提高电路的可靠性2.单相交流调压工作原理2.1主电路工作原理假设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EI1tonV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释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等（1-1）化简得：（1-2）1/offtT，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boostchooper变换器。offoontIEUtEI11EtTEtttUoffoffoffonooffotIEU1offtT/——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即Ttoff1（1-3）因此，式（1-2）可表示为（1-4）升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：①L储能之后具有使电压泵升的作用②电容C可将输出电压保持住3.2IGBT驱动电路选择IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时EEUo111间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。2.4最优参数选择offtxt1t2tOOiouttTofftont2i1iE10I20I10IOOiouttTont2i1iE20I图3-1电流连续图3-2电流断续当IGBT处于导通时，得11MdiLRiEdt(1-6)设1i的初值为10I，解上式得1101ttMEiIeeR(1–7)当IGBT处于关断时，设电动机电枢电流为2i，得22MdiLRiEEdt(1–8)设2i的初值为20I，解上式得2201ononttttMEEiIeeR(1–9)当电流连续时，从图3-2的电流波形可看出，t=ont时刻1i=20I，t=T时刻2i=10I，由此可得20101ononttMEIIeeR(1–10)ffoff10201ottMEEIIeeR(1–11)故由