大工16春《电源技术》大作业 答案.pdf

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1、大连理工大学电源技术大作业大连理工大学电源技术大作业姓名：学号：学习中心：题目三：升压斩波电路分析题目三：升压斩波电路分析总总则：则：围绕升压斩波电路，介绍其工作原理、主要参数及对应计算方法，并简述其在实际中的应用。撰写要求：撰写要求：（1）介绍基本斩波电路的分类。（2）介绍升压斩波电路的工作原理、主要参数及对应计算方法。（3）简述升压斩波电路在实际中的应用。（4）学习心得升压斩波电路分析升压斩波电路分析（1 1）介绍基本斩波电路的分类。）介绍基本斩波电路的分类。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

2、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IGB

3、T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（2 2）介绍升压斩波电路的工作原理、主要参数及对应计算方法。）介绍升压斩波电路的工作原理、主要参数及对应计算方法。假设 L 和 C 值很大。

4、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，I12V 电源向 L 充电，充电基本恒定为1,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，toff并向负载 R 提供能量。设

5、V 处于段态的时间为量为(U0E)I1toff，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(U0E)I1toff（1-1）化简得U0上式中的T/toff1tontoffTE Etofftoff（1-2）T/toff，输出电压高于电源电压。式（1-1）中Uo为升压比，调节其大小即可改变输出电压2)数量关系的大小。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/tof

6、f1，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，即=U0=toff。又因为+=1。所以：T11E=E（1-4）1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。（3 3）简述升压斩波电路在实际中的应用。）简述升压斩波电路在实际中的应用。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

7、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Ldi1 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I1 0，解 上 式 得i1 I10etEmRt1 e（2-2）当 V 处 于 断 态 时，设 电 动 机 电 枢 电 流 为i2，得 下 式：di2L R

8、i2 Em E（2-3）dt设i2的 初 值 为I2 0，解 上 式 得：i2 I20etE EmRt1 e（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=to n时 刻i1=I2 0，t=to f f时 刻i2=I1 0，由 此 可 得：toffEm1 eTR1 eI10E1 em 1 eR ER（2-5）I20TontEme eTR1 eEe em 1 eR ER（2-6）把 上 面 两 式 用 泰 勒

9、 级 数 线 性 近 似，得I10 I20m 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EEmEIom（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1 em（2-9）1 e根据此式可对电路的工作状态作出判断。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：0.10.5；5、电阻性负载；6、输出电压脉率：小于 10%。输出值的计算由电路原理分析可知：U2 DUd 250V 100V考虑 1000的裕量:U21.1U

10、0110VU211022R 81P150I2U21101.36AR81IL1000I2 0.11.36 0.136A控制电路图 4.1 SG35251 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 fs1CT（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 0.0010.1 F；6 脚：振荡器外接定时电阻 RT 端，RT 值为 2150 k；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

11、 0500；8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部 Vref 的 50A 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 835 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 SG3

12、525 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

13、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 4.3boost chopper 触发电路及主电路图元器件

14、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。其中的吸收电容选择可以采用一下公式：的（4-1）电路中的电阻 Rs 不宜过大，如太大太小，在器件导通时，Rs放电时间过长，电不能完全放掉。但 Rs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；充电电压；电源电压；Io-负载电流;上的最大开关频率。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

15、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。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 27e5H,电容为 375e6F,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

16、为 40%，电感为 27e5H,电容为 375e6F,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 27e5H,电容为 375e6F,电阻为 81：图 5.4 脉冲、电感电流和负载电压仿真图 3结果分析从计算公式及仿真图分析得出：1)占空比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。（4 4）学习心得）学习心得此课程设计，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，

17、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。我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。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,20002康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,19983张义和.Protel DXP 电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,20034 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，1998