升压斩波电路课程设计报告

《电力电子技术课程设计》报告

设计题目：升压斩波电路的设计 英文题目：The Design of Boost Chopper

院 系： 电气工程与自动化 年级专业： 2011级电气工程及其自动化 姓 名：） ）

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2014年6月30日

目录

目录························································································································ 1 1. 设计的题目 ······································································································ 3 1.1引言 ······················································································ 3

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

1.2升压斩波电路的应用 ································································· 4 2.设计的任务： ················································································· 4

2.1 课程设计要求 ········································································ 4 2.2Boost电路技术参数及要求 ························································ 5 3.设计的依据： ················································································· 5

3.1总体构思依据 ········································································· 5 3.2理论计算依据 ········································································· 5 4.设计的内容： ················································································· 6

4.1主电路的选择与计算过程 ·························································· 6

4.1.1直流斩波电路由直流电源、MOSFET、电感、电容、续流二极管以及负载组成。具体原理电路图如下： ··································································· 6 4.1.2主电路的理论计算： ························································ 6 4.1.3主电路的仿真 ································································· 7 4.1.4主电路的仿真输出波形 ····················································· 8 4.2控制电路的选型与计算过程 ······················································· 8

4.2.1NE555的引脚图及引脚 ······················································ 8 4.2.2 NE555工作原理 ······························································ 9 4.2.3控制电路原理图 ······························································ 9 4.2.4控制电路理论计算过程 ···················································· 10 4.2.5控制电路的仿真与波形输出 ·············································· 10 4.3带tlp250光耦合器的驱动电路的选型 ········································ 10

4.3.1 tlp250引脚图及引脚 ····················································· 10 4.3.2采用tlp250的原理 ··························································· 11 4.4绘制原理图和PCB ··································································· 12

4.4.1主电路原理图 ································································· 12 4.4.2主电路PCB图 ································································ 12 4.4.3 555电路图 ····································································· 12 4.4.4 光耦tlp250原理图 ·························································· 13 4.4.5稳定光耦tlp250输出电压原理图 ········································· 13 4.4.6控制电路pcb图 ····························································· 13

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.5列出元器件的规格、型号和明细表 ············································· 14 4.6PCB实物制作和调试过程 ························································· 15

4.6.1主电路实物图 ································································ 15 4.6.2控制电路实物图 ····························································· 15 4.6.3调试过程 ······································································ 16 4.6.4调试结果为：占空比为30%时， ········································ 16 4.6.5理论值与实际值的比较 ···················································· 17 4.7实验结果分析和处理 ······························································· 17 5.心得体会······················································································· 17 6.主要参考文献 ················································································ 18

1.设计的题目

1.1引言

随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已被广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有动力机装置需要一个稳定的电力输送装置，而外部提供的能源大多为交流，电

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

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。但有时那转变的直流电压同所需设备要求人仍不相符，仍需变换，称为DC/DC变换。直流斩波电路作为将直流电，变成另一种固定电压的DC-DC变换器，在充电蓄电电路、直流传动系统、电力电子变换装置、开关电源及各种用电设备中得到普遍的应用。随之出现了诸如升压斩波电路、降压斩波电路、复合斩波电路、升降压斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术，已被广泛运用于直流开关电源和电机推动中，使其控制获得加速平滑、快速响应、加快节能的效果。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。

本次的课程设计主要是升压斩波电路的设计。

本设计是基于NE555芯片为核心控制的PWM升压斩波电路（Boost chopper）

.设计采用Matlab和Protel及protues三个软件进行仿真制作。先提出设计的目的，设计要求，然后根据目的和要求找出主电路，控制电路的设计方案，然后根据设计方案确定元器件选择，protues画出原理图，然后仿真出波形。Matlab主要是理论分析，借助其强大的数学计算和仿真功能可也很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图。通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系。Protel进行封装，印刷出电路板进行实际调试。 1.2升压斩波电路的应用

升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（power factor correction,PFC）电路，三是用于其它交直流电源中。

2.设计的任务：

2.1 课程设计要求

1) 熟悉掌握变换电路和控制电路的基本原理，掌握主电路设计的过程（包括计算和器件选型） 2) 能够运用所学的理论知识，分析设计任务并使用Matlab或Saber等仿真说明

3) 能正确设计电路与图纸（Protel99se/AltiumDesign原理图和单层板PCB图纸），完成PCB实物

制作并调试

4) 掌握实际电路的测量与调试方法，对数据和波形分析、处理并加以判断

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

2.2Boost电路技术参数及要求 1）输入直流电压：Ud=24V； 2) 输出功率：0~30W； 3）开关频率：10~20KHz； 4) 占空比：10%~50%； 5）输出电压脉率：小于10%。

3.设计的依据：

3.1总体构思依据

直流斩波电路总共分为三个部分电路摸块，分别为主电路模块块。

1、主电路模块： 由MOS管的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。 2、控制电路模块：用来PWM技术控制MOS管的开通与关断。 3、驱动电路模块：用555谐振荡器来驱动MOS管

原理框图： 控制电路 控制电路模块和驱动电路模

驱动电路 555谐振荡器 Boost 主电路 4

3.2理论计算依据

假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压为Uo恒值,记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton，V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 (U0E)I1toff

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，化简得：

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

(U0E)I1toffEI1ton ..........................（1-1）

U0tontofftoffETE .........................（1-2） toffT/toff1，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为Boost Chopper变换器。 T/toff——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作β，即如下关系：

toffT。和导通占空比，有

1 ...................... （1-3）

因此式（1-2）可表示为:

Uo11E ......................（1-4） 1E

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因： ① L储能之后具有使电压泵升的作用 ② 电容C可将输出电压保持住

4.设计的内容：

4.1主电路的选择与计算过程

4.1.1直流斩波电路由直流电源、MOSFET、电感、电容、续流二极管以及负载组成。具体原理电路图如下：

4.1.2主电路的理论计算： 1）输出电压：

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

U01Ud1D.............................(1-5)

U0MAXU0MIN12448V

10.512426.67V 10.12）输出电流：

I0MAX3）负载阻值：

2P0MAX300.625AU0MAX48

R

U0P0 ............................... (1-6)

RMIN

4）纹波电压：

U0MAXP0MAX248276.830

U010%U0

5）电容：

0.1(26.67~48)2.667~4.8V

CMAX

I0MAXDMAXfMINU0MIN0.6250.511.7uF310102.67

6）电感：

L0MINDMINTMINUd2I0MAX0.12496uH320.6252010

L0MAX4.1.3主电路的仿真

DMAXTMAXUd

2I0MIN直流电源参数设置为24V，占空比取30%。

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.1.4主电路的仿真输出波形

4.2控制电路的选型与计算过程 4.2.1NE555的引脚图及引脚

因为设计课题要求，所以选用555作为PWM发生芯片来进行连续控制。

8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在 R1 和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

1脚为地。

2脚为触发输入端；

3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器2脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。 6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。 5脚是控制端。

7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

4.2.2 NE555工作原理

555电路它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为 2/3VCC 和1/3VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6端输入并超过参考电平2/3 VCC时，触发器复位，555的输出端—3端输出低电平，同时放电开关管导通。 4.2.3控制电路原理图

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.2.4控制电路理论计算过程 取占空比DRA0.3 ，

RARB频率取f15Hz,则3RB7RA,由TRACLn2RBCLn2(取C0.01uF),得：

1RA7106RB71067105 315107RARA10； 3RA3K,RB7K

4.2.5控制电路的仿真与波形输出

4.3带tlp250光耦合器的驱动电路的选型 4.3.1 tlp250引脚图及引脚

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.3.2采用tlp250的原理

因为主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.4绘制原理图和PCB 4.4.1主电路原理图

4.4.2主电路PCB图

4.4.3 555电路图

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.4.4 光耦tlp250原理图

4.4.5稳定光耦tlp250输出电压原理图

4.4.6控制电路pcb图

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1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3

4.5列出元器件的规格、型号和明细表 器件名称 规格 型号 个数（个） 保险丝 保险丝座 船型开关 电解电容 电解电容 1.5A 10A/250VAC 50V/470uf 50v/220UF F1.5AL250 1 2 1 1 1 若干 40芯彩色扁平电缆 线 1.5方多股电缆（红） 1.5方多股电缆（黑） 1.5方多股电缆（黄） 独石 独石 MOSFET 快恢复二极管 稳压管 二极管 高速光耦 50V/0.1uf 50V/0.01uf 5.1V 104 103 IRF530N MBR10150 IN4004 TLP250 14v

若干 若干 若干 5 5 1 1 1 2 1 1.1数学八年级上册同步练习：12.2.1三角形全等的判定SSS 3 功率电感 电阻 1mH 2 各1个 1K,3K,100Ω， 10K 滑动变阻计 2K RXG20-T-50W NE555 2EDG-5.08-2P 1 1 1 4 2 1 1 1 大功率可调线绕电阻 200Ω 控制芯片NE555 接插件 8脚圆孔IC插座 开关稳压电源 单相三线电源线 120W,24V 4插位带独立触点开 关3米插线板 ACDC辅助电源 ACDC辅助电源 12V，1A 5V, 1A 1 1 4.6PCB实物制作和调试过程 4.6.1主电路实物图

4.6.2控制电路实物图

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4.6.3调试过程

调试时可分为三个模块进行：

1、555脉冲产生模块测试：这是测试控制回路的最基本要求，分别测试脉冲波形、频率与幅值，并通过调节电位器改变占空比。

2、光耦隔离器触发脉冲测试：光耦隔离器TPL250为MOSFET管的驱动模块，其产生一个高电平为7V和一个低电平为-5V的驱动脉冲，频率与555脉冲一致。

3、主回路负载两端输出测试：负载两端的电压波形与仿真一致，输出电压结果与计算结果和仿真一致，调节不同占空比可得到不同脉振率的输出电压波形。 4.6.4调试结果为：占空比为30%时，

1）实际电路MOSFET触发脉冲波形为方波 ； 2）实际输出电压值：

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4.6.5理论值与实际值的比较

器件名称 主电路电容 主电路电感 NE555实际电路电阻RA NE555实际电路电阻RB 4.7实验结果分析和处理

在做完板子进行测试时发现控制电路输出脉冲的频率太低，低于5KHZ，使得主电路中的电感容易烧坏，便对控制电路中电阻RA和RB进行修改，使得最终输出的频率达到10KHZ以上。尽管如此，但是在测试主电路时发现电感还是还是容易发烫，并且正常工作一段时间后烧掉，于是便上网查阅相关资料发现是我们用的理论计算值220UH的电感太小，便对电感进行更换，换成1MH的电感后虽然不会很快烧掉，但是还是会发烫得厉害。后面想再加大电感，但是实验室里面没有合适的电感，再大一些的就剩10MH的电感，但会使电压降低的太厉害，于是我们想到的处理办法是用两个1MH的电感进行串联，最后才使得主电路可以正常工作。通过这次实验结果分析得出的结论是按照本次实验的要求做的升压电路中电感的值应取2~3MH，负载两端的电容应取470UF，并且为使输出的波形毛刺少些，可在输出端加几个104、103的滤波电容。

理论值 11.3uF 96uH 3K 7K 实际值 220uF 2mH 1.3K 4.7K 5.心得体会

经过一番深刻的探究后，我们小组最终选择了难度适中的升压斩波电路设计。原本我们也曾考虑过反激电路的设计，但由于其设计过程和设计工艺对于我们来说过于复杂，而且缺乏理论知识的支撑，使课程设计结果可能不尽人意，所以放弃该课题的设计实验。

选定明确的课题任务以后，第一步，我们开始集合小组各个成员的力量，并分配各个成员的任务。通过各个渠道收集升压斩波电路各元件的计算公式，和NE555触发器的原理图，了解其各个引脚的工作方式以及运用NE555触发的控制电路的相关信息。之后，成员之间进行了相互讨论和推敲，得到令人满意的计算结果，再结合老师所给的参考信息，最终选定了控制电路及主电路的电感、电容和电阻等器件的型号。

第二步，进行仿真电路的仿真，仿真软件包括MATLAB、PROTEL及PROTUES。由于在之前的电力电子课程中，老师已经提前教我们入门如何使用matlab进行一些简单的仿真以及protel的入门使用，我们对于软件的使用便没有那么生疏了。通过小组成员之间的相互合作，仿真过程进行的相

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当顺利，其结果也相当令人满意，得出理想的设计方案。

最后一步，我们终于动手开始制作电路板，然后进行电路调试。

在调试的其中我们也遇到了很多的问题，其中在调试555时基电路中示波器的接地触头放在12V电源的接地端，会发现示波器不会输出波形，而放在5V电源的接地端则可以得到很不错的波形，关于这个问题，我们也很难理解。在主电路的调试过程中，起初我们使用220uH的电感，把保险丝直接烧毁，之后换了1mH的电感保险丝扔被烧毁，我们发现24v供给电源的输出额定电流有14.6A,就认为可能是由于电流太大，所以我们就想使用10mH的电感来承受大电流，发现虽然10mH的电感可以承受电路的电流，但输出的电压就会偏低。在经过讨论。最终我们选用了2个1mH的电感串连，最后也得出比较好的结果。

不得不说，这次电力电子课程设计是最认真、最谨慎也学有所得的一次课程设计。小组成员们很团结也很上进，大家相互合作，几乎每人都会为了小组做出贡献而努力，这也使得整个课程设计过程充实而愉快，相信这也是小伙伴们比较难忘的经历。

6.主要参考文献

1、阎石 数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社

参考内容：第十章脉冲波形的产生与整形 10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器 2、参考网站：21IC电子网

计划检查表

日期 周几 复习课目 时间 在规定时间内是否完成 2017.11.13 周一 四小科 例20：30-21:30 学生签字 家长签字 是（√） 否（√） 穆诚豪 18v

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