10-100升降压直流斩波电路

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：10～100V升降压直流斩波实验装置

院（系）： 工程技术学院 专业班级：电气工程及其自动化 13 学 号： 学生姓名：

指导教师： （签字） 起止时间：2015-11-23至2015-12-4

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室

电气工程及其自动化13班 学 号 课程设计 学生姓名 专业班级 10～100V升降压直流斩波实验装置 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压压斩波的相关理论知识。 设计任务 1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、斩波电路设计。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。 要求 1、文字在4000字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数 1、交流电源：单相220V。2、前级整流输出电压在50V以内。3、斩波输出电流最大值2A。4、负载：纯电阻。5、斩波输出直流电压在10～100V左右可调。 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：整流电路设计；第5天：斩波电路设计；第6天：驱动电路设计；第7天：元器件具体选择；第8天：在实验室调试；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 课程设计（论文）任务 进度计划指导教师评语及成绩 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘 要

10～100V升降压直流斩波实验装置是一种将固定电压的交流电能转变为电压可调的直流电能的高效节能电力电子装置。自晶闸管问世以来，直流斩波器已经在工业部门的很多领域获得了成功的应用。尽管如此，适合电力电子课程实验教学需要的直流斩波装置却不多见。为了满足教学需要，我们研制了10～100V升降压直流斩波实验装置。此装置运用了整流电路，驱动电路，斩波电路和保护电路四大部分，可将单相220V交流电源变换成10至100V不等的直流电，并在示波器中给予显示。可让学生客观的了解电力变换的形式，更加强了学生的动手动脑能力。

电力系统在运行时常常因为系统中的过电流保护发生误动作而造成事故，给经济带来巨大的损失。我们应针对过电流保护误动作进行分析，且针对各种情况提出了应采取的措施，并提出了过电流保护改进的方向。 我国目前正处在经济发展的重要时期，各行各业对电力的需求日益增加。因此，预防用电事故就成为迫切需要解决的问题。电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的也是最危险的故障是发生各种形式的短路，在发生短路时流过故障点的短路电流很大，有可能破坏系统并列运行的稳定性，因此需要在系统中配置过电流保护。然而，在某些情况下，即使采用的过电流保护装置的动作值和时间匹配得很合理，但由于与系统中其他的保护不能很好地配合而导致其误动作，造成整个系统故障。因此随着电网结构的日趋紧密，过电流保护能否正确动作，对电力系统安全、稳定运行非常重要。

关键词：晶闸管；整流电路；斩波电路；占空比

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目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力电子技术概况 ............................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 10～100V升降压直流斩波实验装置电路设计 ....................... 2

2.1 10～100V升降压直流斩波实验装置总体设计方案 ................... 2 2.2 具体电路设计 ................................................. 2

2.2.1 主电路设计 ............................................. 2 2.2.2 整流电路设计 .......................... 错误！未定义书签。 2.2.3 升降压电路设计 ........................ 错误！未定义书签。 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8

2.3.1整流电路的参数计算 ..................................... 8 2.4 电流保护 ..................................................... 9 2.5系统的调测与仿真 ............................................ 11 2.6 元器件的型号与选择 .......................................... 12 第3章 课程设计总结 ................................................. 13 参考文献 ............................................................ 14

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第1章 绪论 1.1 电力电子技术概况

所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和信息电子技术和电力电子技术两大分支。具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用电力电子器件均由半导成。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小至数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。

电力变换的技术称为变流技术。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC），直流变交流（DC-AC），直流变直流（DC-DC）和交流变交流（AC-AC）。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。直流变直流是指一种电压（或电流）的直流变为另一种电压（或电流）的直流，可用直流斩波电路实现。

电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新技术。可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，这是毫无疑问的。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。由此可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。

1.2 本文设计内容

本文设计的功能是为了实现电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压斩波的相关理论知识，使同学可以更好的学习电力电子技术这门课程。

本课题给出的参数是：（1）交流电源：单相220V。（2）前级整流输出电压在50V以内。（3）斩波输出电流最大值2A。（4）负载：纯电阻。（5）斩波输出直流电压在10～100V左右可调。

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第2章 10～100V升降压直流斩波实验装置电路设计

2.1 10～100V升降压直流斩波实验装置总体设计方案

10～100V升降压直流斩波实验装置是应用于实验室的装备，应满足便于操作，安全系数高等特点。其电源为单相220V交流电，所以需通过整流电路将其变换为直流电后，再通过斩波电路调节其电压，实验装置中还需加入驱动电路，并进行元器件的选择，绘制出合理的电路图，最终在实验室进行调试并更正。

图2.1 总设计图

2.2 具体电路设计

2.2.1 主电路设计

构成此实验装置的总电路图大概分为四大部分，分别为整流电路、斩波电路，驱动电路和保护电路。依次将交流电源变为直流电能，再将直流电通过斩波电路进行升降压的选择，使输出直流电压为10～100V可调。

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2.2.2 整流电路设计

整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应 用最为广泛的电路。不仅应用于工业，也广泛应用于交通运输，电力系统，通信系统，能源系统等其他领域。本实验装置采用单相桥式全控整流电路（所接负载为纯电阻负载）。

图2.2整流电路

在单相桥式全控整流电路中，晶闸管V1 和 VT4组成一对桥臂，V2和

V3组 成另一对桥臂。在U2正半周（即 a 点电位高于 b 点电位） ，若 4 个

晶闸管均不导 通，负载电流 d为零，Ud也为零，V1V4串联承受电压U2 ，设 V1和V4 的漏电 阻相等，则各承受U2 的一半。若在触发角α处给V1 和 V4加触发脉冲，V1、 V4即导通，电流从 a 端经V1 、R、 V4流回电源 b 端。当 U2为零时，流经晶闸管 的电流也降到零，V1和 V4关断。

在U2负半周，仍在触发延迟角α处触发V2和 V3（V2和V3 的0处为 t） ， V2和 VT3导通，电流从电源的 b 端流出，经V3、R、V2流回电源 a 端。 到 U2过零时，电流又降为零，V2和V3 关断。此后又是 V1和 V4导通。如此循环工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为2U22整流电压平均值为

和2U2。

Ud11cos2U2sintd(t)0.9U2VT123

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流过晶闸管的电流平均值为

题目中要求前级整流输出电压在50V以内，输入电压U1为220V，则输入电压U2最大为55V，变压器匝数比N1:N2=4:1。

IdvTId2

图2.3整流电路波形图

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2.2.3驱动电路设计

图2.4驱动电路及SG3525

引脚1：误差放大器反向输入端。 引脚2：误差放大器同相输入端。 引脚3: 振荡器外接同步信号输入端。 引脚4：振荡器输出端。 引脚5：振荡器定时电容接入端。 引脚6：振荡器定时电阻接入端。 引脚7：振荡器放电端。 引脚8：软启动电容接入端。 引脚9：PWM信号输入端。 引脚10：外部关断信号输入端。 引脚11：输出端A 引脚12：信号地

引脚13：输出级偏置电压接入端 引脚14：输出端B 引脚15：偏置电源接入端

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引脚16：基准电源输出端 SG3525 芯片特点如下： （1）工作电压范围8-35v。 （2）5.1V 微调基准电源

（3） 振荡器频率工作范围100Hz-500kHz。 （4） 具有振荡器外部同步功能 （5）死区时间可调。 （6） 内置软启动电路。 （7） 具有输入欠电压锁定功能。 （8） 具有PWM 锁存功能禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。

（10）双路输出灌电流/拉电流Ma(峰值)

其11 和14 脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM 信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器内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。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内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。根据系统的动态、静态特性要求在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络另外当10 脚的电压为高电平时11 和14 脚的电压变为10 输出。

图2.5电路内部

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主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。

驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断

2.2.4 升降压电路的设计

升降压斩波电路的原理图如图所示。设电路中电感L值很大，电容C值也很大。使电感电流iL和电容电压及负载电压uc基本为恒值。

图2.6升降压斩波电路

图2.7升降压斩波电路波形图

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该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为I1。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为I2。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。

T 稳态时，一个周期T内电感L两端电压U对时间的积分为零，即

Ud0Lt0

当V处于通态期间，ULE；而当V处于断态期间，ULUo。于是 Eton

所以输出电压为UOU0toffE 1

ttonEoff

改变占空比，输出电压既可比电源电压高，也可以比电源电压低。当0＜＜12时为降压，当1＜＜1时为升压，因此该电路称为升降压斩波电路。也

2有文献直接按英文称之为buck-boost变换器（Buck-boost Converter）。

2.3 元器件型号选择

2.3.1整流电路的参数计算

（1）由于任务书中要求前级整流输出电压在50V以内，通过计算变压器匝数比应控制在4：1左右。

U1N1U2N2

U

1220V

U250V

（2）考虑到晶闸管的安全裕量，

UUmax2Uvt25578.5N(2~3)Umax(2~3)78.5157~235.5V8

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IN(1.5~2)IVT(1.5~2)46~8A额定电压UN范围是283-424V，额定电流IN的范围是6-8A。

（1）由于斩波输出最大电流为2A，斩波电路通过控制占空比来实现升降压，根据公式

I2

1I1EI1U0I2

已知电源E最大值为50V，输出电压Uo的范围是10V至100V，代入公式，经计算占空比应控制在16.7％-66.7％。

（2）另外，二极管允许通过的最大电流时2A。

2.4电流保护及电压保护

（1）过电流保护(Over Current Protection)就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。 过电流保护一般分为定时限与反时限过流保护，电流速断保护，中性点不接地系统的单相接地保护。 由电流继电器，时间继电器和信号继电器组成，电流互感器和电流继电器组成测量元件，用来判断通过线路电流是否超过标准，时间继电器为延时元件，它以适当的延时来保证装置动作有选择性，信号继电器用来发出保护动作信号。 正常运行时，电流继电器和时间继电器的触点都是断开的，当被保护区故障或电流过大时，电流继电器动作，通过其触点启动时间继电器，经过预定的延时后，时间继电器触点闭合，将断路器跳闸线圈接通，断路器跳闸，故障线路被切除，同时启动了信号继电器，信号牌掉下，并接通灯光或音响信号。

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图2.8电压保护

（2）由于晶闸管的正常运行电压与其击穿电压非常接近，而晶闸管承受过电压的能力差，发生过电压时会使元件损坏，所以必须采取有效措施对晶闸管及由它组成的可控整流电路进行保护。

采用阻容吸收过电压保护装置，保护电路见图中的a部分（实选阻容吸收装置为 形接法 ）。采用压敏电阻保护装置，保护电路见图中的b部分。由于晶闸管的热时间常数小，过电流能力差，所以应该采用有效措施对晶闸管及由它组成的可控整流电路进行保护。保护措施中最后一道防线必须采用快速熔断器，保护方式见图中c部分。采用压敏电阻保护装置，保护电路见图中的d部分.

以上是我们对晶闸管可控整流电路保护环节的介绍，在使用这种方法还需做到如下说明：

第一，上述计算方法对所有晶闸管可控整流电路保护环节的参数计算都适用。 第二，对于采用单相可控整流电路供电的系统或者采用三相可调整流电路供电的中小容量系统，在交流侧变压器原边可不采用阻容吸收保护。

第三，由于直流侧采用阻容吸收保护会影响系统的快速性使其达不到预期的指标，所以可直接采用压敏电阻进行保护而不用阻容吸收。

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2.5元器件的型号选择

表2.5 器件参数表

器件 符号 器件 符号 变压器 N1：N2=4：1 电容 C 晶闸管 VT1 电阻 R1 晶闸管 VT2 电阻 R2 晶闸管 VT3 二极管 VD 晶闸管 VT4 电力MOSFET V 芯片 SG3525 电感 L 11

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2.6系统调试及仿真

图2.9 仿真电路图

图2.10仿真波形

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第3章 课程设计总结

10～100V升降压直流斩波实验装置电路主要分为四个部分，分别为整流电路模块，驱动电路模块，斩波电路模块和保护电路模块。

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。它的作用是将交流电源变为直流电输出。整流电路可分为相位控制整流电路和斩波控制整流电路。本实验装置应用的是单相桥式全控整流电路。

斩波电路它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。本装置应用升降压斩波电路。通过控制占空比来实现电压的升降。

实验装置操作简单，安全系数高。此斩波电路中 IGBT 的驱动信号由集成脉宽调制控制器 SG3525 产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。

本装置缺点在于没有考虑控制电路与主电路的电气隔离以及没有精确的得出仿真波形。斩波电路在实际应用中需要注意以下问题：系统损耗的问题，栅极电阻的问题。这些问题还需要加以改正和修复。

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参考文献

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