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文檔簡介
1、課程設計報告課題名稱:直流斬波電路的設計電力電子技術課程設計任務書系:電氣與信息工程系年級:專業(yè):自動化指導教師姓名學生姓名課題名稱一、設計任務和要求直流斬波電路的設計( 1)熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理,能夠運用所學的理論知識分析設計任務。( 2)掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理;描繪波形并加以判斷。( 3)能正確設計電路,畫出線路圖,分析電路原理。( 4)廣泛收集相關資料。內( 5)獨立思考,刻苦專研,嚴禁抄襲。( 6)按時完成課程設計任務,認真、正確的書寫課程設計報告。容二、設計內容( 1)明確設計任務,對所要設計地任務進行具體分析,充分了解系統(tǒng)性能,及指標要求。( 2)制定設計方案。任(
2、3)迸行具體設計:單元電路的設計;參數(shù)計算;器件選擇;繪制電路原理圖。務( 4)撰寫課程設計報告(說明書):課程設計報告是對設計全過程的系統(tǒng)總結。三、技術指標斬波電路輸出電壓為100± 5V ,直流降壓斬波電路輸入電壓為直流流200V ,直流升壓斬波電路輸入電壓為直流50V 。脈沖周期為 50 S(降壓) 40S(升壓),脈沖信號占空比可以通過SG3525 調節(jié)。進起止日期設計內容度6.1分析設計任務,確定元件參數(shù)、指標安6.1用 Multisim 進行仿真,Protel 繪制硬件電路圖排6.2撰寫設計報告答辯成績指導教師評閱意見摘要直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調
3、的直流電,也稱為直流 -直流變換器( DC/DC Converter),直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況,不包括直流-交流 -直流的情況;直流斬波電路的種類很多:降壓斬波電路,升壓斬波電路,這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路,Cuk 斬波電路, Sepic 斬波電路, Zeta 斬波電路。斬波器的工作方式有:脈寬調制方式( Ts 不變,改變 ton)和頻率調制方式( ton 不變,改變 Ts)。本設計是基于 SG3525 芯片為核心控制的脈寬調制方式的升壓斬波電路和降壓斬波電路, 設計分為 Multisim 仿真和 Protel 兩大部分構成。 Multisim 主要是仿真
4、分析, 借助其強大的仿真功能可以很直觀的看到 PWM 控制輸出電壓的曲線圖, 通過設置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關系, 利用軟件自帶的電表和示波器能直觀的分析各種輸出結果。第二部分是硬件電路設計,它通過 Protel 等軟件設計完成。關鍵字:直流斬波; PWM ;SG3525目 錄1直流斬波主電路的設計 .11.1直流斬波電路原理 .11.1.1直流降壓斬波電路 .11.2.2直流升壓斬波電路 .21.2主電路的設計 .31.2.1直流降壓斬波電路 .31.2.2直流降壓斬波電路參數(shù)計數(shù) .31.2.3直流升壓斬波電路 .41.2.4直流升壓斬波參數(shù)計算 .42觸發(fā)電路設計 .52.1控
5、制及驅動電路設計 .52.1.1PWM 控制芯片 SG3525 簡介 .52.1.2SG3525 內部結構及工作特性 .52.1.3觸發(fā)電路 .62.2系統(tǒng)總電路圖 .73電路仿真 .83.1觸發(fā)電路的仿真 .83.1.1Multisim 仿真電路的建立 .83.1.2觸發(fā)電路的仿真結果及分析 .93.2直流降壓斬波電路的仿真及分析 .103.2.1Multisim 仿真電路的建立 .103.2.2直流降壓斬波電路仿真結果及分析 .103.3升壓斬波電路仿真 .113.3.1Multisim 仿真電路的建立 .113.3.2直流升壓斬波電路仿真結果及分析 .124總結與體會 .13參考文獻 .
6、141 直流斬波主電路的設計1.1直流斬波電路原理直流降壓斬波電路直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓,使負載側電壓低于電源電壓, 其原理電路如圖 1-1 所示。在開關器件 V 導通時,有電流經(jīng)電感 L 向負載供電,在V關斷時,電感 L 釋放儲能,維持負載電流,電流經(jīng)負載和二極管VD 形圖 1-1 直流降壓斬波電路原理圖成回路。調節(jié)開關器件V 的通斷周期,可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均值為:U otonEt on EE( 1-1)t ontoffT式中 T 為 V 開關周期 ,ton 為導通時間,為占空比。Uo 最大為 E,減小 a,Uo 隨之減小降壓斬波電路。 也稱
7、為 Buck 變換器 (BuckConverter)。負載電流平均值為:U 0 Em(1-2)I 0R電流斷續(xù)時, uo 平均值會被抬高,一般不希望出現(xiàn)。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調制的方式不同,斬波電路可有三種控制方式:( l) 保持開關周期 T 不變,調節(jié)開關導通時間 ton ,稱為 PWM(Pulse Width Madula-tion)或脈沖調寬型。( 2) 保持開關導通時間 ton 不變,改變開關周期 T,稱為頻率調制或調頻型。( 3) ton 和 T 都可調,使占空比改變,稱為混合型。1直流升壓斬波電路直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合,其原理圖如圖1-2 所示。在電路中 V
8、導通時,電流由 E 經(jīng)升壓電感 L 和 V 形成回路,電感 L 儲能;當 V 關斷時,電感產生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加,從而在負載側圖 1-2 直流升壓斬波電路原理圖得到高于電源的電壓,二極管的作用是阻斷 V 導通是,電容的放電回路。調節(jié)開關器件 V 的通斷周期,可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。負載側輸出電壓的平均值為 :U otontoffET( 1-3)t offEtoff式中 T 為 V 開關周期 ,ton 為導通時間, t ott 為關斷時間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓,關鍵有兩個原因 :一是 L 儲能之后具有使電壓泵升的作用,二是電容 C 可將輸出
9、電壓保持住。在以上分析中,認為 V 處于通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電壓 Uo 不變,但實際上 C 值不可能為無窮大, 在此階段其向負載放電, U。必然會有所下降,故實際輸出電壓會略低于理論所得結果,不過,在電容 C 值足夠大時,誤差很小,基本可以忽略。21.2主電路的設計直流降壓斬波電路直流降壓斬波主電路圖如圖1-3 所示。圖 1-3 直流降壓斬波主電路直流降壓斬波電路參數(shù)計數(shù)設計降壓斬波電路中,直流降壓變壓器電源電壓E=200V,負載電阻R=10,試選 L=2mH,T=50 S, ton =25 S。 根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件:mL =0.0002,T =0.1,=0.05Ree1(1
10、-4)1e1 =0.487>m(1-5)e1所有所選 L 符合要求,電流不斷續(xù)。全控型器件選擇 Silicon N Channel MOS FET 2SK307L,其主要參數(shù)如下:關斷頻率: f=1MHztd (on ) =60ns(1-6)td ( off ) =550ns( 1-7)I D =75A(1-8)V DS40V(1-9)V GSS20V(1-10)32SK307 的參數(shù)符合設計要求。理論計算降壓后輸出結果:U ot on E 100V( 1-11)TI oU o10 A(1-12)R直流升壓斬波電路直流升壓斬波電路主電路圖如圖1-4 所示。圖 1-4 直流升壓斬波主電路直
11、流升壓斬波參數(shù)計算設計降升斬波電路中, 直流升壓變壓器電源電壓E=50V,負載電阻 R=10,試選 L=2mH,T=40 S, ton =20 S。 C=30mF 根據(jù)判斷電流斷續(xù)的條件:m1 e(1-13)1 e其中 +=1,經(jīng)計算可知所選元件參數(shù)符合要求,在此升壓斬波電路中電流不斷續(xù)。全控型器件同直流降壓斬波電路一樣選擇 Silicon N Channel MOS FET 2SK307L,參數(shù)在此不在贅述。理論計算升壓后輸出結果:U o1100VE1(1-14)I oU o10V( 1-15)R42 觸發(fā)電路設計2.1控制及驅動電路設計PWM 控制芯片 SG3525 簡介SG3525A 系
12、列脈寬調制器控制電路可以改進為各種類型的開關電源的控制性能和使用較少的外部零件。 在芯片上的 5.1V 基準電壓調定在± 1,誤差放大器有一個輸入共模電壓范圍。 它包括基準電壓, 這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一個單元和外部系統(tǒng)時鐘同步。在 CT 和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區(qū)時間進行大范圍的編程。在這些器件內部還有軟起動電路, 它只需要一個外部的定時電容器。 一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級。 只要用脈沖關斷, 通過 PWM(脈寬調制)鎖存器瞬時切斷和具有較長關斷命令的軟起動再循環(huán)。當VCC 低于標稱值時欠電壓鎖定禁止輸
13、出和改變軟起動電容器。輸出級是推挽式的可以提供超過200mA 的源和漏電流。 SG3525A 系列的 NOR(或非)邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。·工作范圍為 8.0V 到 35V· 5.1V±1.0調定的基準電壓· 100Hz 到 400KHz 振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳SG3525 內部結構及工作特性( 1)基準電壓調整器基準電壓調整器是輸出為5.1V,50mA,有短路電流保護的電壓調整器。它供電給所有內部電路, 同時又可作為外部基準參考電壓。 若輸入電壓低于6V 時,可把 15、16 腳短接,這時 5V 電壓調整器不起作用。( 2)振蕩器
14、3525A 的振蕩器,除 CT、RT 端外,增加了放電 7、同步端 3。RT 阻值決定了內部恒流值對 CT 充電, CT 的放電則由 5、 7 端之間外接的電阻值 RD 決定。把充電和放電回路分開,有利于通過RD 來調節(jié)死區(qū)的時間,因此是重大改進。這時 3525A 的振蕩頻率可表為:1f S3RD)CT (0.7RT(2-1)5(3)SG3525 的內部結構SG3525的內部結構如圖2-1 所示。圖 2-1 SG3525 的引腳以及內部框圖在直流降壓斬波電路中可以通過調節(jié)2 腳接的電阻值改變輸出脈沖信號的占空比,根據(jù)求頻率 f 的公式計算出SG3525 外接元件參數(shù)如下:CT0.01 F(2-
15、2)RT7.( 2-3)RD10(2-4)觸發(fā)電路MOS FET 驅動電路分類驅動電路分為:分立插腳式元件的驅動電路;光耦驅動電路;厚膜驅動電路; 專用集成塊驅動電路。 本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。MOS FET 驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、 系統(tǒng)結構和存儲器件 ),數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數(shù)字信號處理器構成的控制系統(tǒng),MOS FET 驅動信號由處理器集成的 PWM 模塊產生的。而PWM 接口驅動能力及其與MOS FET 的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。 因此本文采用 SG3525 設計的光耦驅動電路
16、是一種可靠的 MOS FET 驅動方案。 SG3525 的光耦驅動電路如圖 2-2 所示。6圖 2-2 MOS FET觸發(fā)電路圖2.2 系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總的電路圖如圖2-3 所示圖 2-3 系統(tǒng)總電路圖73 電路仿真3.1觸發(fā)電路的仿真Multisim仿真電路的建立在 Multisim 中用元件 PWMVM 代替 PWM 控制芯片 SG3525,PWMVM的外接電路如圖3-1 所示,根據(jù)仿真電路圖原理通過改變R7 的大小可以改變脈沖占空比,改變脈沖的占空比就是對脈沖的寬度進行調制,即構成脈沖寬度控制器,通過占空比的控制從而控制輸出電壓的大小。圖 3-1 觸發(fā)電路模擬仿真圖8觸發(fā)電路的仿真結果及
17、分析在 Multisim 中對觸發(fā)電路進行仿真,根據(jù) PWMVM 控制原理可知,當R7=10K時,占空比為 90%,仿真結果如圖 3-2 所示:當 R7=50K時,占空比為 50%,仿真結果如圖 3-3 所示。圖 3-2 R7=10K 時觸發(fā)脈沖波形圖圖 3-3 R7=50K 時觸發(fā)脈沖波形圖93.2 直流降壓斬波電路的仿真及分析仿真電路的建立根據(jù)直流降壓變流器原理圖建立變流器的Multisim 仿真模型如圖 3-4 所示。圖 3-4 降壓斬波電路模型在模型中采用了 MOS FET,MOS FET 的驅動信號由脈沖發(fā)生器產生, 設定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為 50S 和脈沖寬度可以調節(jié)脈沖占空比為
18、 50%,直流降壓變流器電源電壓 E=200V,輸出電壓 U R =100V,電阻負載為 10,電感 L=2mH 。用示波器觀察輸出波形和二極管兩端電壓波形, 用直流電壓分別檢測輸出電壓和負載電流。直流降壓斬波電路仿真結果及分析脈沖信號波形和輸出電壓波形如圖 3-5,脈沖信號波形和二極管兩端的電壓波形如圖 3-6。.圖 3-5 輸出波形圖10圖 3-6 二極管電壓波形圖由圖 3-5 分析可知觀察結果同理論值相符,誤差在允許范圍內。所設參數(shù)滿足降壓要求但是電壓的波動很大。 修改電感參數(shù)進行多次仿真, 可發(fā)現(xiàn)增大電感可以減少輸出電壓的脈動,但電壓達到穩(wěn)定的時間被延遲。由圖3-6 分析可知二極管在
19、MOS FET 導通關斷此時電壓等于電源電壓 E,在 MOS FET 關斷是導通起續(xù)流的作用此時電壓等于 0。3.3 升壓斬波電路仿真仿真電路的建立根據(jù)直流升壓壓變流器原理圖建立變流器的Multisim 仿真模型如圖 3-7 所示。圖 3-7 升壓斬波電路模型在圖 3-7 升壓斬波電路模型中采用了MOS FET,MOS FET 的驅動信號由脈沖發(fā)生器產生,設定脈沖發(fā)生器的脈沖周期為40 S 和脈沖寬度可以調節(jié)脈沖占空11比為 50%,直流降壓變流器電源電壓 E=50V,輸出電壓 U R =100V,電阻負載為10,電感 L=2mH ,電容 C=30mF。用示波器觀察輸出波形和二極管與電容兩端電
20、壓波形,用直流電壓分別檢測輸出電壓和負載電流。直流升壓斬波電路仿真結果及分析脈沖信號和輸出電壓波形如圖 3-8 和 3-9 所示,脈沖信號波形和二極管與電容兩端的波形如圖 3-10 所示。圖 3-8 輸出電壓波形仿真開始圖 3-9 輸出電壓穩(wěn)定后波形12圖 3-10 二極管與電容兩端的電壓由圖 3-7 與 3-8 分析可知示波器、電壓表、電流表所觀測的結果與理論值相符,誤差很小在允許范圍內。由圖3-8 可知電感越大輸出電壓越穩(wěn)定但是延遲時間越長,由圖 3-10 可知二極管與電容兩端的電壓在MOS FET 關斷時電壓等于電源電壓 E,此時 E 和 L 共同向電容 C 充電并向負載 R 提供能量,當電路工作于穩(wěn)
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