直流斩波电路的设计课程设计(编辑修改稿)

直流斩波电路的设计课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

电池负载，两种情况句会出现反电动势。 在具有升降压功能的非隔离式 DC／ DC 变换器中， BuckBoost 变换器和 Cuk变换器是负极性输出， Sepic 变换器和 Zeta 变换器是正极性输出，但这两个变换器结构复杂，都需要两个储能电感，这必然导致变换器的损耗增加、效率变低，且体积和质量大。 本文针对实际研究项目中提出的要求，摒弃采用上述各种变换器，设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的 DC／ DC 变换器，并采用该 DC／ DC 变换器研制出达到技术 指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用直流斩波电路的设计 6 价值。 直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。 机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。 PWM 控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。 在电力拖动 系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管 GTO、全控电力晶体管 GTR、 PMOSFET、绝缘栅晶体管 IGBT）等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（ Pulse Width Modulated） ,已逐步发展成熟，用途 越来越广。 调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。 电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。 这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。 电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。 这是由于闭环控制系统具有反馈环节。 IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的自然进化。 由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征， IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要缺点。 虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比 IGBT 技术高出很多。 较低的压降，转换成一个低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT 驱动器的原理图。 一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器 、直流电动机等环节组成。 这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。 本文中的双闭环可逆ＰＷＭ调速系统，采用集成控制器 SG3524 产生占空比可调的 PWM 波，它的内部包括误差放大器 ,限流保护环节 ,比较器 ,振荡器 ,触发器 ,输出逻辑控制电路和输出三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器 ,输出级是由ＩＧＢＴ构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。 由于电路有开关频直流斩波电路的设计 7 率高的特点，所以直流脉宽调速系统与 VM 系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单 ，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高，系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，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 ont ，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型。 （ 2）保持开关导通时间 ont 不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调频型。 （ 3） ont 和 T都可调，使占空比改变，称为混合型。 降压斩波电路实验室验证 理论学习后，在实验室进行了直流降压斩波电路实验验证，直观看出了导通占空比α对负载的电压平均值 0U 的影响，其实验器材和接线图如图 所示： 图 电力电子实验实训装置 直流斩波降压电路内 容和步骤 :。 直流斩波电路的设计 8 （ +20V、 +5V、 5V）接入线路板相应电源接口。 注意电压 +、 极性不可接错。 （ 50V 整流电路）输出电压的幅值和波形。 RP，用示波器测量脉冲的宽度和幅值，观察他们的变化，并做记录。 （幅值与波形）正常的情况下，接上负载（灯泡）及脉冲输入信号。 50%上时，测量负载平均电压 UL的幅值与波形，如图。 30%，最大（ 98%）时，重复步骤 7。 记 录波形，如图 和图。 图 占空比 50%时的波形 图 占空比 30%时的波形 直流斩波电路的设计 9 图 占空比 98%时的波形 直流升压斩波电路 直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图 所示。 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，充电电流基本恒定为 I1，同时电容 C上的电压向负载 R 供电。 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，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。 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。 图 直流升压斩波电路原理图及工作波形 直流斩波电路的设计 10 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 : EtTEt ttUo ffo ffo ffon 0 （ 13） 式中 T 为 V开关周期 ,ont 为导通时间， oft 为关断时间。 offtT/ ≥ 1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 式（ 13）中 offtT/ 表示升压比，调节其大小；将升压比的倒数记作β，即β = Ttof。 则β和占空比α有如下关系 α +β =1 （ 14） 因此式（ 13）可表示为 EEU  1 110 （ 15） 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 U0不变，但实际上 C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电， U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容 C 值足够大时，误差很小，基本可以忽略。 主电路的设计 课程设计的目的 熟悉降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握两种基本斩波电路的工作状态，了解电路图的波形情况及占空比对波形的影响 ，本设计主要讲述直流降压斩波电路。 课程设计的任务与要求 根据给出的技术要求， 确定总体设计方案选择具体的元件，进行硬件系统的设计，进行相应的电路设计，完成相应的功能进行调试与修改，撰写课程设计说明书。 斩波调速器负载选用额定电压为 220V，额定电流为 的他励直流电动机实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。 IGBT的驱动电路的设计，这一部分电路可以用单片机和硬件电路相结合来实现，也可以用专用芯片TL494 结合其它硬件电路来实现。 IGBT 驱动电路的设计可借助仿真软件Multisim 来进行。 稳压电源，电机均由实验室提供。 直流斩波电路的设计 11 设计方案选定与说明 由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。 IGBT 的通断用 PWM控制，用 PWM方式来控制 IGBT的通断需要使用脉宽调制器 SG3525 来产生 PWM控制信号。 降压斩波主电路原理图如图 所示： 图 降压斩波电路原理图 接通控制电路电源，用示波器分别观察锯齿波和 PWM 信号的波形（实验装置应给出测量端，位置在图中已标出），记录其波形、频率和幅值。 调节 Ur 的大小，观察 PWM 信号的变化情况。 斩波电路的输 入直流电压 ui由低压单相交流电源经单相桥式二极管整流及电感电容滤波后得到。 接通交流电源，观察 ui波形，记录其平均值。 斩波电路的主电路包括降压斩波电路和升压斩波电路两种，电路中使用的器件为电力 MOSFET，注意观察其型号、外形等。 切断各处电源，将直流电源 ui与升压斩波主电路连接，断开降压斩波主电路。 检查接线正确后，接通主电路和控制电路的电源。 改变 ur 值，每改变一次 ur，分别观测 PWM信号的波形、电力 MOSFET 的栅源电压波形、输出电压 uo 的波形、输出电流 io 的波形，记录的 PWM 信号占空比α， ui、 uo的平均 值 Ui 和 Uo。 直流斩波电路的设计 12 2 触发电路设计 控制及驱动电路设计 PWM 控制芯片 SG3525 简介 SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。 在芯片上的 基准电压调定在177。 1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。 它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。 一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。 在 CT 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。 在这些器件内部还有软起动电路，它只 需要一个外部的定时电容器。 一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。 只要用脉冲关断，通过 PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。 当 VCC 低。