升压斩波电路
ui规范-日月潭图片
2023年2月22日发(作者：qee).-
.可修编.
目录
1引言………………………………………………………………….4
2方案设计…………………………………………………………….5
2.1升压斩波电路原理………………………………………………………….5
2.2工作原理…………………………………………………………………..6
2.3参数计算……………………………………………………………………7
3分单元电路设计……………………………………………………9
3.1控制电路设计……………………………………………………………..9
3.1.1控制电路方案的选择……………………………………………………………..9
3.1.2SG3525的工作原理……………………………………………………………..10
3.2驱动电路设计…………………………………………………………….10
3.3保护电路设计…………………………………………………………….11
4总电路图………………………………………………………….13
5课程设计总结…………………………………………………….14
6参考文献………………………………………………………….15
.-
.可修编.
1引言
电力电子技术(PowerElectronics)也称为电力电子学。利用电力电子开关器件
组成电力开关电路，利用晶体管集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，
对电力开关电路进展实时、适式的控制，可以经济有效地实现开关模式的电力变
换和电力控制，包括电压〔电流〕的大小、频率、相位和波形的变换和控制。是
综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴穿插学科。现已成为现代电气工程
与自动化专业不可缺少的一门专业根底课，在培养该专业人才中占有重要地位。
直流变直流是电力电子技术中变流技术的重要局部，广泛应用于电子领域。
直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，
包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路，
它的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本课程设计就是
其中的一种斩波电路，即升压斩波电路。
本课程设计采用IGBT全控型器件，采用专用PWM控制集成电路SG3525进
展驱动，并利用MATLAB的PowerSystem工具箱进展主电路的仿真实验，满足
了设计要求，是一次比拟成功的设计。
.-
.可修编.
2方案设计
图1系统总体框图
斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三局部
组成。其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电
路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压
Uo的大小。
控制与驱动电路模块：用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号
控制与驱动电
直流电源
主电路
保护电路
.-
.可修编.
送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT的开通与关断。
电路模块：驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用
来驱动IGBT的开通与关断。
驱动电路模块：控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过
电流现象损害电路设备。
2.1升压斩波电路原理
图2斩波电路
2.2工作原理
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一样互相叠加，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导通时电容的放电回路。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。
分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C
值也很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流根本恒定
.-
.可修编.
为，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，根本保持输出电压uo
为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为t
on
，此阶段电感L上积蓄的能量为EI
l
t
on
。
当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断
态的时间为,那么在此期间电感L释放的能量为(Uo-E)I
l
t
off
。当电路工作于稳态
时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
EI
l
t
on
=(Uo-E)I
l
t
off
(1)
化简得
(2)
式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。又称
boost变换器〔BoostConverter〕。
式〔2〕中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。
将升压比的倒数记作β，即β=。那么β和占空比α有如下关系
α+β=1(3)
因此，式〔2〕可表示为：
(4)
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:一是电
感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
.-
.可修编.
C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输
出电压会略低于式〔4〕所得结果。不过，在电容C值足够大时，误差很小，根
本可以忽略。
如果忽略电路中的损耗，那么由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EI
l
=UoIo(5)
该式说明，升压斩波电路可看成是直流变压器。
根据电路构造并结合式〔4〕得出输出电流的平均值Io为
(6)
由式〔5〕即可得出电源电流为
(7)
下面确定电流连续的临界条件：
如果在T时刻电感电流刚好降到0,那么为电流连续与断续的临界工作状
态。此时电感电流平均值为
(8)
又由式〔4〕和式〔5〕可得
(9)
.-
.可修编.
联立式〔8〕、〔9〕可得，在临界状态下的电感值为
(10)
当时时，升压斩波电路工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。
电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，即
(11)
那么电压变化量
(12)
所以电容值为
(13)
滤波电容越大，输出电压越平直。
2.3参数计算
〔1〕输出电压、负载电阻、输出电流
根据设计要求，可取输入直流电压E=50V，输出功率Po=1kW，占空比α
=0.375。因此，由式〔4〕得输出电压
.-
.可修编.
(14)
负载电阻为
R=(Uo^2)/Po=〖80〗^2/1000=6.4Ω，
取标称值R=6.4Ω
由〔6〕式可得输出电流为
Io=Uo/R=80/6.4A=12.5A
由〔7〕式可得电源电流为
Il=Uo/EIo=80/50×12.5=20A
〔2〕电感L、电容C
要求开关频率fs=5KHz，所以开关周期
s。由式〔10〕可得在临界状态下的电
感值为
.-
.可修编.
为使升压斩波电路工作在连续状态下，取=。
确定电容的计算
要求输出电压脉率小于10，取5，那么
。代入式〔13〕可得
F
为使输出电压较平直，取电容值C=。
〔3〕IGBT
当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为50V；
而当α=1时，IGBT有最大电流，其值为3A。故需选择集电极最续电流I
c
=6A，反
向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。
(4)续流二极管
其承受最大反压50V，其承受最大电流趋近于10A，考虑2倍裕量，故需选
择U
N
≥200V，I
N
≥10A的二极管。
3分单元电路设计
3.1控制电路设计
.-
.可修编.
3.1.1控制电路方案的选择
控制电路主要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件
的通断，同时能够通过对占空比的调节到达控制输出电压大小的目的。根据对输
出电压平均值进展调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：
1〕保持开关周期T不变，调节开关导通时间t
on
，称为脉冲宽度调制〔PWM〕
或脉冲调宽型；
2〕保持开关导通时间t
on
不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；
3〕t
on
和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
其中，又以第1种应用最多，故本设计中也采用PWM控制。PWM控制就是
对脉冲宽度进展调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进展调制，来等效地获
得所需要的波形〔含形状和幅值〕。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的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进
展调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等
幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进展控制。
升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件，其栅射极之间有数千
皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。
使IGBT开通的栅射极间的驱动电压一般取15~20V。同样，关断时施加一定幅值
的负驱动电压〔-5~-15V〕有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低
值电阻可以减小寄生振荡，改电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减
小。
本设计中，控制电路以SG3525为核心构成。SG3525为美国SiliconGeneral
公司生产的专用PWM控制集成电路，它采用衡频脉宽调制控制方案，适合于各
.-
.可修编.
种开关电源、斩波器的控制。SG3525其部包含精细基准源、锯齿波振荡器、误
差放大器、比拟器、分频器等，实现PWM控制所需的根本电路，并含有保护电
路。其电路图如图3所示
图3SG3525电路图
3.1.2SG3525的工作原理
SG3525的脚16为5.1V基准电压源输出，精度可以到达〔5.1±1％〕V，采
用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚6、脚7有一个双门限比拟器，设电
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，同时振荡
器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片部误差放大器的反相输入
端、同相输入端，该放大器是一个两级差分放大器。通过R2、R3、C3结合SG3525
产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。
通过调节R6，可在OUTA、OUTB两端输出两个幅度相等,频率相等,相位相差
180°,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。
3.2驱动电路设计
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT，
因此需要外加驱动电路。驱动电路是连接控制局部和主电路的桥梁，驱动电路的
.-
.可修编.
稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲IGBT的驱动要求动态
驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否那么IGBT会在
开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。
其次能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比拟
恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。而且要具有栅压限幅电路，保护栅
极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此围可能破坏栅
极。最后当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间通过逐渐降
低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随
输入信号的消失而受到影响。
在本设计中，直接采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有电源。其提供
的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
另外它使用比拟方便，稳定性比拟好。
如图4所示，控制电路所输出的PWM信号通过TLP521-1光耦合器实现电
气隔离，再经过推挽电路进展放大，从而把输出的控制信号放大以驱动IGBT。
为得到最正确的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进展合理的搭配。
图4驱动电路
.-
.可修编.
3.3保护电路设计
升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，如图5所示，均采用反应控
制,将过流过压信号反应到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。同时芯
片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，防止了开关电源
在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。
图5电压和电流保护电路
.-
.可修编.
4总电路图
如图6所示。220V的交流电经变压器变压后输入到由D9、D10、D11、D12
四个整流二极管组成的整流电路输入端。经整流后电压含有较大的纹波，故通过
L3、C4组成的LC低通滤波器进展滤波。滤波后输出的电压就比拟平滑了。接下
来就是由电感L4、斩波器件IGBT、电力二极管D14、电容C6组成的升压斩波电
路。通过调节滑动电阻器R6改变驱动信号PWM的占空比就可以调节输出到负
载R5两端电压。
.-
.可修编.
图6总原理图
5课程设计总结
回忆起此次的电力电子课程之IGBT升压斩波电路设计，感慨颇多，它使我
有了很多的心得体会，可以说这次IGBT升压斩波电路设计是在自己用心努力和
在教师的精心指导下共同完成的。
在两个星期的日子里，可以说自己每天都充满着压力与忙碌，自己也确实从
.-
.可修编.
此次安排的课程设计中学到了很多东西。设计过程中，因为是第一次做，难免会
遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的缺乏之处，对以前所学过的
知识理解得不够深刻，掌握得不够结实。通过查阅大量有关资料，并与同课题同
学互相讨论，交流经历和自学，假设遇到实在搞不明白的问题就会及时请教教师，
使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。通过本次课程设计
让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了
电力电子这门学科的重要性。通过这次设计，我还发现课本上的理论知识和实践
还是有一定的差异，理论知识要应用到实践中要经过仔细地思考和屡次尝试，只
有这要才能到达理论联系实践的效果。如果不是通过课程设计，我们的知识面可
能一直停留在理论的层面。
最后我要感那些给予我帮助的教师和同学们，没有他们的耐心帮助，本次课
程设计将很难完成。
.-
.可修编.
6参考文献
［1］王兆安，进军.电力电子技术［Ｍ］.第5版.：机械工业，2021.123~126
［2］曲水印.电力电子变流技术［Ｍ］.：冶金工业，2002.195~205
［3］王云亮.电力电子技术［Ｍ］.：电子工业，2004.144~149
［4］洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真［Ｍ］.：机械工业，
2021.120~124