《电力电子技术》课程设计说明书升压直流斩波电路设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称专业：电气工程及其自动化班级：完成时间：电力电子课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定形式的输入点能变换成另外一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。

电能的形式可以分为交流和直流两种类型，因此根据输入、输出的不同形式，可将电力电子电路分为四大类型，即AC-DC变换器、DC-AC变换器、DC-DC变换器、AC-AC变换器。

该设计将主要介绍其中的DC-DC变换器。

随着半导体工业的发展，DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

目前直流变换电路的用途非常广泛，无论是从性能、功率还是节能性上，都处于不断地发展之中。

其中升压直流斩波电路是输出电压高于电源电压的一种斩波电路，主要运用于直流电动机传动、单相功率因数校正以及交直流电源中。

该设计中，运用了单相桥式全控整流电路和升压斩波电路结合，从而实现升压直流斩波。

通过方案选定，电路构造以及电路调试，最终基本实现升压直流斩波电路功能。

由于知识浅薄，该课程设计说明书里还存在不少纰漏和错误，殷切希望老师和同学们的批评指正。

关键词：直流；斩波；升压1 绪论 (1)1.1 电力电子技术的介绍 (1)1.2 电力电子技术的应用 (1)1.3 直流直流变流技术 (2)1.4 设计要求 (2)2 系统总体方案设计 (2)2.1 总体电路设计框图 (2)2.2 整流电路选择 (2)3 主电路设计 (5)3.1 整流电路 (5)3.1.1 整流电路图及工作波形 (5)3.1.2 整流电路工作原理 (6)3.2 升压斩波电路 (6)3.2.1 升压斩波电路及工作波形 (6)3.2.2 升压斩波电路工作原理 (7)3.3 元器件参数及选型 (7)3.3.1 晶闸管的选型 (7)3.3.2 绝缘栅双极晶体管（IGBT）选型 (9)4 控制电路及驱动电路 (11)4.1 控制电路 (11)4.1.1 SG3525控制芯片介绍 (11)4.1.2 SG3525外部引脚功能 (12)4.2 驱动电路 (13)4.3 控制和驱动电路原理图 (13)5 保护电路设计 (15)5.1 过电流保护 (15)5.2 过电压保护 (15)6 仿真电路图及结果 (16)6.1 MATLAB仿真软件 (16)6.2 整流电路仿真及部分参数设置 (16)6.2.1 整流电路仿真模型 (16)6.2.2 部分参数设置 (17)6.3 升压斩波电路仿真模型 (19)6.4 总电路仿真模型 (19)6.5 仿真波形及波形分析 (20)7 设计总结 (21)参考文献 (22)致谢 (23)附录 (24)附录A 升压直流斩波总电路图 (24)附录B 元件清单 (25)1 绪论1.1 电力电子技术的介绍电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。

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基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。

1974年，美国的W .Newell用一个倒三角形对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

这一观点被全世界普遍接受。

“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。

1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。

本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。

能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。

它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。

在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。

工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。

1.3 直流直流变流技术直流-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，它的功能是将直流电变成为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。

直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。

直流斩波器在把直流变换成另一电压直流的过程中，依靠的是脉冲宽度调制(PWM)的工作方式，因此直流斩波调速系统也称直流脉宽调速系统。

斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。

前者较为通用，后者容易产生干扰。

当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。

经济性能：直流电动机V—M调速系统使用的电源是三相交流电源，但是在许多应用场合的电源却是直流电源，例采用直流电网供电的城市公交车(电车)、地铁，由蓄电池供电的电动汽车、电瓶车等，在这种应用场合使用的直流调速系统则必须采用DC／DC变换器，即在这种应用场合不能使用V—M调速系统，而应使用直流斩波调速系统。

1.4 设计要求电路中要求：交流电源为单相220V，前级整流输出电压限制在50V以内，斩波电路所带负载为纯电阻负载，斩波电路输出电流最大值为2A，输出直流电压在50～100V可调。

2 系统总体方案设计该设计中，升压直流斩波电路有前级整流电路和升压斩波主电路构成。

下面将就前级整流电路的选择进行说明。

2.1 总体电路设计框图图1 系统设计框图交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电，再通过升压斩波电路输出直流可调电压，其基本的变换过程如图1所示。

2.2 整流电路选择单相整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也较多。

因此在做设计之前主要考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如图2所示。

图2 单相桥式半控整流电路图2电路中，对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗。

如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或触发冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。

所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。

方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如图3所示。

图3 单相桥式全控整流电路图3电路中，对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。

变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。

方案三：单相半波可控整流电路电路简图如图4所示。

图4 单相半波可控整流电路图4电路中，只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a移相范围为180。

但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。

实际上很少应用此电路。

方案四：单相全波可控整流电路电路简图如图5所示。

图5 单相全波可控整流电路图5电路中，变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

在以上不同单相整流电路中，单相桥式全控整流电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。

变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高，因此，在整流电路选择单相桥式全控整流电路, 即采用方案二。

3 主电路设计主电路由前级整流电路与升压斩波电路构成，下面就整流电路与升压斩波电路进行说明。

3.1 整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。

完成这一任务主要是靠晶闸管的单向导电作用，因此晶闸管是构成整流电路的关键元件。

3.1.1 整流电路图及工作波形该电路中电源变压器的作用是将交流电网电压V变成整流电路要求的交流1电压tVωVsin=，电阻R是要求直流供电的负载电阻，四只晶闸管接成电桥222的形式，故有桥式整流电路之称。

前级整流电路图如图6所示，工作波形图如图7 所示。

图6 单相桥式全控整流电路图图7 单相桥式全控整流电路工作波形图3.1.2 整流电路工作原理在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T 二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。