Boost升压斩波电路

2013 ~2014 学年 第 2 学期

《直流电机斩波电路》 课 程 设 计 报 告

题 目： 直流电机斩波电路

专 业： 自动化 班 级： 11自动化（1）班 姓 名： 李勇 刘城 刘备 李亚 卢伟 刘德 指导教师： 焦俊生

电气工程学院 2014年4月2日

1、任务书

2、答辩记录及评分表

摘 要

本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boost chopper）.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，最后进行了GUI编程，利用图形可视化界面的直观易懂的特点，使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是原理图，它可以通过PROTEL软件设计完成，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。本设计也采用PROTEL设计原理图，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。

关键字：升压斩波;SG3525;SIMULINK ;PWM;PROTEL

目录

引言................................................................ 6 1 升压斩波工作原理.................................................. 6

1.1 主电路工作原理 ............................................. 6 2 升压斩波电路的典型应用............................................ 8 3 设计内容及要求................................................... 10

3．1输出值的计算............................................... 10 4 硬件电路......................................................... 11

4.1控制电路.................................................... 11 4.2 触发电路和主电路 ........................................... 12 4.3 元器件的选取及计算 ......................................... 13 5 仿真............................................................. 14 6 结果分析 ........................................................ 16 7 小结............................................................. 16 8 参考文献......................................................... 17 附录............................................................... 18

引言

随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有的电力设备都需要良好稳定的供电，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时所供的直流电压不符合设备需要，仍需变换，称为DC/DC变换。直流斩波电路作为直流电变成另一种固定电压的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运用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、有源滤波能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；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点

1 升压斩波工作原理

1.1 主电路工作原理

1)工作原理

假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

图1.1 升压斩波电路主电路图

首先假设电感L值很大，电容C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，

12V电源向L充电，充电基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积储的能量为EI1ton。当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为量为

(U0E)I1toff

toff

，则在此期间电感L释放的能

。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释

放的能量相等，即

EI1ton(U0E)I1toff

（1-1）

化简得

U0＝

tontoffT

EEtofftoff

（1-2）

上式中的T/toff1，输出电压高于电源电压。式（1-1）中T/toff为升压比，调节其大小即可改变输出电压Uo的大小。 2)数量关系

设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：EmI1Ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：（E-Em）I2Toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

（1-3）

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 T/toff－升压比;升压比的倒数记为β，即β= U0=

电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持

住。

toff

。又因为α+β=1。所以： T

11E=E （1-4） β1α

2 升压斩波电路的典型应用

图2.1用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图

通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 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。

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i1，得下式

L

di1

Ri1Em （2-1） dt

式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

i1I10e



t



Em

R

t

1e

 （2-2） 

当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

di2LRi2EmE （2-3） dt

设i2的初值为I20，解上式得：

t

t

1e

i2I20e





EEm

R



 （2-4） 

用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：

图2.2电流连续升压斩波电路波形

图2.3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=ton时刻i1=I20，

t=toff时刻i2=I10，由此可得：

toff



Em1eT

R

1e

I10



E1e

m1eR



Eee

m1e

R

E R （2-5）

I20

Ton

t

EmeeT

R

1e

E R （2-6）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

I10I20m

E

（2-7） R

该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

EEmE

Iom （2-8）

RR

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

m1e

1e

根据此式可对电路的工作状态作出判断。

3 设计内容及要求

1、输入直流电压：Ud=50V； 2、输出功率：150W； 3、开关频率：10kHz； 4、占空比：0.1~0.5； 5、电阻性负载；

6、输出电压脉率：小于10%。

3．1输出值的计算

由电路原理分析可知：U2DUd250V100V 考虑100的裕量:U21.1U0110V

U21102R2

P150

81

I2

U2R11081

1.36A IL10I20.11.360.136A

2-9） （

4 硬件电路

4.1控制电路

图4.1 SG3525

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fS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fs＝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，定时电容范围为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，电阻范围为0～500 Ω； 8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Vref的50μA恒流源充电；

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， 其范围为8～35 V；

16脚：内部＋5 V基准电压输出。

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。

被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电压为8V到35V。它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。

图4.2 控制电路的protel设计

4.2 触发电路和主电路

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。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4.3 boost chopper触发电路及主电路图

4.3 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。其中的吸收电容错误！未找到引用源。的选择可以采用一下公式：

（4-1）

电路中的电阻Rs不宜过大，如太大错误！未找到引用源。放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太小，在器件导通时，Rs错误！未找到引用源。

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：

（4-2）

其中 Ls—主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；错误！未找到引用源。上的最大充电电压； 错误！未找到引用源。—电源电压； Io-负载电流;错误！未找到引用源。—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。

5 仿真

主电路原理图如图5.1所示其工作原理，前言中已说明，这里再补充说明电路中的几个模块。IGBT用理想的方波发生器触发，周期设为0.0001s，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。

示波器用来观察电感电流，电源电压波形和负载电压输出波形。

图5.1主电路原理图

占空比为30%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.2 脉冲、电感电流和负载电压仿真图1

占空比为40%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.3 脉冲、电感电流和负载电压仿真图2

占空比为50%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.4 脉冲、电感电流和负载电压仿真图3

6 结果分析

从计算公式及仿真图分析得出：

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。

7 小结

一个星期的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流电机斩波电路的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。

通过这次设计加深了我对这门课程的了解，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。

通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。另外，在使用PROTEL软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

8 参考文献

［1］王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).[北京]: 机械工业出版社,2000 ［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.PROTEL DXP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

[6] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000

[7]陈汝全．电子技术常用器件应用手册．机械工业出版社

[8] 陈礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005．

附录

PROTEL简介

PROTEL：PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点：HTTP://WWW.PROTEL.COM 这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。首先：在PCB部分，除了Protel2004中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能；SitusTM自动布线器等新功能以外，Altium Designer 6.0还着重在：差分对布线，FPGA器件差分对管脚的动态分配， PCB和FPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有PCB文件切片，PCB多个器件集体操作，在PCB文件中支持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文）,任意字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂BGA器件的多层自动扇出，提供了对高密度封装（如BGA）的交互布线功能, 总线布线功能，器件精确移动，快速铺铜等功能。交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局,支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具. Altium Designer 6.0 对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。Altium

Designer 可充分利用当今FPGA 器件上的扩展I/O管脚。其次，在原理图部分，新增加“灵巧粘帖”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中，比如一些网络标号， 一页图纸的BOM表，都可以拷贝粘帖到原理图当中。原理图文件切片，多个器件集体操作，文本筐的直接编辑，箭头的添加，器件精确移动，总线走线，自动网标选择等！强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、VHDL开发和功能仿真、布线前后的信号完整性分析功能。在信号仿真部分，提供完善的混合信号仿真,在对XSPICE 标准的支持之外，还支持对Pspice模型和电路的仿真。对FPGA设计提供了丰富的IP内核，包括各种处理器、存储器、外设、接口、以及虚拟仪器。第三 在嵌入式设计部分，增强了JTAG器件的实时显示功能，增强型基于FPGA的逻辑分析仪，可以支持32位或64位的信号输入。除了现有的多种处理器内核外，还增强了对更多的32位微处理器的支持，可以使嵌入式软件设计在软处理器，FPGA内部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。使用了Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处理器上。

MATLAB简介

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB的优势

（1）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏

览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

（2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

（3）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真

2013 ~2014 学年 第 2 学期

《直流电机斩波电路》 课 程 设 计 报 告

题 目： 直流电机斩波电路

专 业： 自动化 班 级： 11自动化（1）班 姓 名： 李勇 刘城 刘备 李亚 卢伟 刘德 指导教师： 焦俊生

电气工程学院 2014年4月2日

1、任务书

2、答辩记录及评分表

摘 要

本设计是基于SG3525芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boost chopper）.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，最后进行了GUI编程，利用图形可视化界面的直观易懂的特点，使设计摒弃了繁琐难懂的单一波形和控制方式，从而具有友好界面，非常方便的就可进行控制参数输入，和输出图像显示。第二部分是原理图，它可以通过PROTEL软件设计完成，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。本设计也采用PROTEL设计原理图，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。

关键字：升压斩波;SG3525;SIMULINK ;PWM;PROTEL

目录

引言................................................................ 6 1 升压斩波工作原理.................................................. 6

1.1 主电路工作原理 ............................................. 6 2 升压斩波电路的典型应用............................................ 8 3 设计内容及要求................................................... 10

3．1输出值的计算............................................... 10 4 硬件电路......................................................... 11

4.1控制电路.................................................... 11 4.2 触发电路和主电路 ........................................... 12 4.3 元器件的选取及计算 ......................................... 13 5 仿真............................................................. 14 6 结果分析 ........................................................ 16 7 小结............................................................. 16 8 参考文献......................................................... 17 附录............................................................... 18

引言

随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有的电力设备都需要良好稳定的供电，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时所供的直流电压不符合设备需要，仍需变换，称为DC/DC变换。直流斩波电路作为直流电变成另一种固定电压的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运用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、有源滤波能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；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点

1 升压斩波工作原理

1.1 主电路工作原理

1)工作原理

假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

图1.1 升压斩波电路主电路图

首先假设电感L值很大，电容C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，

12V电源向L充电，充电基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积储的能量为EI1ton。当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为量为

(U0E)I1toff

toff

，则在此期间电感L释放的能

。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释

放的能量相等，即

EI1ton(U0E)I1toff

（1-1）

化简得

U0＝

tontoffT

EEtofftoff

（1-2）

上式中的T/toff1，输出电压高于电源电压。式（1-1）中T/toff为升压比，调节其大小即可改变输出电压Uo的大小。 2)数量关系

设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：EmI1Ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：（E-Em）I2Toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

（1-3）

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 T/toff－升压比;升压比的倒数记为β，即β= U0=

电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持

住。

toff

。又因为α+β=1。所以： T

11E=E （1-4） β1α

2 升压斩波电路的典型应用

图2.1用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图

通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 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。

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i1，得下式

L

di1

Ri1Em （2-1） dt

式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

i1I10e



t



Em

R

t

1e

 （2-2） 

当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

di2LRi2EmE （2-3） dt

设i2的初值为I20，解上式得：

t

t

1e

i2I20e





EEm

R



 （2-4） 

用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：

图2.2电流连续升压斩波电路波形

图2.3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=ton时刻i1=I20，

t=toff时刻i2=I10，由此可得：

toff



Em1eT

R

1e

I10



E1e

m1eR



Eee

m1e

R

E R （2-5）

I20

Ton

t

EmeeT

R

1e

E R （2-6）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

I10I20m

E

（2-7） R

该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

EEmE

Iom （2-8）

RR

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

m1e

1e

根据此式可对电路的工作状态作出判断。

3 设计内容及要求

1、输入直流电压：Ud=50V； 2、输出功率：150W； 3、开关频率：10kHz； 4、占空比：0.1~0.5； 5、电阻性负载；

6、输出电压脉率：小于10%。

3．1输出值的计算

由电路原理分析可知：U2DUd250V100V 考虑100的裕量:U21.1U0110V

U21102R2

P150

81

I2

U2R11081

1.36A IL10I20.11.360.136A

2-9） （

4 硬件电路

4.1控制电路

图4.1 SG3525

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fS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fs＝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，定时电容范围为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，电阻范围为0～500 Ω； 8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Vref的50μA恒流源充电；

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， 其范围为8～35 V；

16脚：内部＋5 V基准电压输出。

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。

被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电压为8V到35V。它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。

图4.2 控制电路的protel设计

4.2 触发电路和主电路

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。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4.3 boost chopper触发电路及主电路图

4.3 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。其中的吸收电容错误！未找到引用源。的选择可以采用一下公式：

（4-1）

电路中的电阻Rs不宜过大，如太大错误！未找到引用源。放电时间过长，电不能完全放掉。但Rs太小，在器件导通时，Rs错误！未找到引用源。

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：

（4-2）

其中 Ls—主电路电感，主要是没有续流时的杂散电感；错误！未找到引用源。上的最大充电电压； 错误！未找到引用源。—电源电压； Io-负载电流;错误！未找到引用源。—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。

5 仿真

主电路原理图如图5.1所示其工作原理，前言中已说明，这里再补充说明电路中的几个模块。IGBT用理想的方波发生器触发，周期设为0.0001s，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。

示波器用来观察电感电流，电源电压波形和负载电压输出波形。

图5.1主电路原理图

占空比为30%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.2 脉冲、电感电流和负载电压仿真图1

占空比为40%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.3 脉冲、电感电流和负载电压仿真图2

占空比为50%，电感为27e5H,电容为375e6F,电阻为81：

图5.4 脉冲、电感电流和负载电压仿真图3

6 结果分析

从计算公式及仿真图分析得出：

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。

7 小结

一个星期的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流电机斩波电路的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。

通过这次设计加深了我对这门课程的了解，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。

通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。另外，在使用PROTEL软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

8 参考文献

［1］王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).[北京]: 机械工业出版社,2000 ［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.PROTEL DXP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

[6] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000

[7]陈汝全．电子技术常用器件应用手册．机械工业出版社

[8] 陈礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005．

附录

PROTEL简介

PROTEL：PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点：HTTP://WWW.PROTEL.COM 这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。首先：在PCB部分，除了Protel2004中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能；SitusTM自动布线器等新功能以外，Altium Designer 6.0还着重在：差分对布线，FPGA器件差分对管脚的动态分配， PCB和FPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有PCB文件切片，PCB多个器件集体操作，在PCB文件中支持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文）,任意字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂BGA器件的多层自动扇出，提供了对高密度封装（如BGA）的交互布线功能, 总线布线功能，器件精确移动，快速铺铜等功能。交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局,支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具. Altium Designer 6.0 对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。Altium

Designer 可充分利用当今FPGA 器件上的扩展I/O管脚。其次，在原理图部分，新增加“灵巧粘帖”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中，比如一些网络标号， 一页图纸的BOM表，都可以拷贝粘帖到原理图当中。原理图文件切片，多个器件集体操作，文本筐的直接编辑，箭头的添加，器件精确移动，总线走线，自动网标选择等！强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、VHDL开发和功能仿真、布线前后的信号完整性分析功能。在信号仿真部分，提供完善的混合信号仿真,在对XSPICE 标准的支持之外，还支持对Pspice模型和电路的仿真。对FPGA设计提供了丰富的IP内核，包括各种处理器、存储器、外设、接口、以及虚拟仪器。第三 在嵌入式设计部分，增强了JTAG器件的实时显示功能，增强型基于FPGA的逻辑分析仪，可以支持32位或64位的信号输入。除了现有的多种处理器内核外，还增强了对更多的32位微处理器的支持，可以使嵌入式软件设计在软处理器，FPGA内部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。使用了Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处理器上。

MATLAB简介

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB的优势

（1）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏

览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

（2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

（3）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真