大工16春《电源技术》大作业 答案教材

大连理工大学电源技术大作业

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题目三：升压斩波电路分析

总 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：

（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

（1）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

（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。

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，

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V处于段态的时间为量为

(U0E)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(U0E)I1toff （1-1）

化简得

U0＝ 上式中的

T/toff1tontoffTE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/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=

toff 。又因为α+β=1。所以： T11E=E （1-4） β1α

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）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I10，解上式得

i1I10etEmRt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：

i2I20etEEmRt1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=ton时刻i1=I20，

t=toff时刻i2=I10，由此可得：

toffEm1eTR1eI10E1em1eRE R （2-5）I20TontEmeeTR1eEeem1eR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EIo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

1em  （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：0.1~0.5； 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250V100V

考虑1000的裕量:

U21.1U0110V

U211022R81

P150I2U21101.36A R81IL1000 I20.11.360.136A

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 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 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

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。

（4）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，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,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