直流斩波电路

直流斩波电路的设计

一. 程序设计的目的：

《电力电子技术》课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

《电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。

二．设计的任务及要求

2.1设计任务

1．输入电压：单相交流220伏、50赫兹。

2．输出功率：500 W；输出电压：DC50V 。

3．用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。

4．负载性质：电阻(10Ω) 、电阻(10Ω) 电感(10mH)。

2.2设计主要内容

1．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，掌握这两种基本斩波电路的工作状态及波形情况

2. 设计题目

直流斩波电路的性能研究

3．设计步骤

⑴根据给出的技术要求，确定总体设计方案

⑵选择具体的元件，进行硬件系统的设计

⑶进行相应的电路设计，完成相应的功能

⑷进行调试与修改

⑸撰写课程设计说明书

4. 设计方法

直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter ），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6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，Zeta 斩波电路，前两种是最基本电路。 主要包括：

⑴降压斩波电路的设计

⑵升压斩波电路的设计

⑶直流供电电源

⑷控制和驱动电路

三．设计方案选择及论证

1．熟悉实验装置的电路结构和主要元器件，检查实验装置输入和输出的线路连接是否正确，检查输入保险丝是否完好，以及控制电路和主电路的电源开关是否在“关”的位置。电路原理图见实验图2。斩波电路的直流输入电压ui 由交流电经整流得到，如实验图2a 所示。实验图2b 和c 分别为降压斩波主电路和升压斩波主电路。实验图2d 为控制和驱动电路的原理图，控制电路以专用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，其占空比受uco 控制。

下图为降压斩波主电路及控制电路

a ）直流供电电源

b ）降压斩波主电路

c ）升压斩波主电路

d ）控制和驱动电路

（同理可得升压斩波电路主电路及控制电路）

d) 降压斩波主电路及控制电路

4. SG3525的功能特点及软起动功能

SG3525是定频PWM 电路，采用16引脚标准DIP 封装。其各引脚功能如图2(a)所示，内部框图如图2(b)所示。脚8为软起动端。

（a ）SG3525的引脚

（b ）内部框图

图2 SG3525引脚及内部框图

SG3525在SG3524的基础上，主要作了以下改进。

1）增设欠压锁定电路 电路主要作用是当IC 输入电压

2）有软起动电路 比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V 基准参考电压的50μA 恒流源充电，使占空比由小到大（50％）变化。

3）比较器有两个反相输入端 SG3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便

避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

4）增加PWM 锁存器使关闭作用更可靠 比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM 锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。

5）振荡器作了较大改进 SG3524中的振荡器只有CT 及RT 两引脚，充电和放电回路是相同的。SG3525的振荡器，除了CT 及RT 引脚外，增加了放电引脚7、同步引脚3。RT 阻值决定对CT 充电的内部恒流值，CT 的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD 来调节 死区的时间，这是重大的改进。在SG3525中增加了同步引脚3 专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。

6）输出级作了结构性改进 电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。另外，为了适应驱动MOSFET 的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。

SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。

3. 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。

4. 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。

5. 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，分别如实验图2b 、c 所示，电路中使用的器件为电力MOSFET ，注意观察其型号、外形等。

6. 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 V 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a ，ui 、uo 的平均值Ui 和 Uo 。

7. 改变负载R 的值，重复上述内容6。

2. 降压斩波电路

1) 工作原理

t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压u o=E ，负载电流i o 按指数曲线上升。

t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L 使负载电流连、续且脉动小。

E M

i c) 电流断续时的波形

图3降压斩波电路的原理图及波形

2) 数量关系

负载电压平均值：

t on ——V 通的时间 t off ——V 断的时间 a--导通占空比

负载电流平均值：

3. 升压斩波电路

1) 工作原理

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4升压斩波电路及其工作波形

2) 数量关系

设V 通态的时间为t on ，此阶段L 上积蓄的能量为

设V 断态的时间为t off ，则此期间电感L 释放能量为

稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等：

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路

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

四．设计结果与分析

降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图6中E m 所示。为使

i o 连续且脉动小，通常使L 值较大

图6直流斩波工作原理及其波形图

升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单项功率因数校正电路，三是用于其他交流电源中。

升压斩波电路应用直流电动机传动时，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，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。还需说明的是，此时电动机的反电动势相当于图4电路中的电源，而此时的直流电源相当于图4中的电路负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。

3．思考题

1、电阻负载时电流如何变化，为什么？

如图3所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压U 0平均值会被抬高，一般不希

望出现电流断续的情况。

五．设计的心得体会

这次的课程设计是我收获比较大的一次，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流斩波电路的性能研究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，也加深了对这门课程的设计。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。做课程设计比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要一定的耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。

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。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。也感谢陈老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

六．参考文献

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[2] 潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术[M], 第2版. 北京: 电子工业出版社, 2003.4

[3] 范立南, 谢子殿. 单片机原理及应用教程[M]. 北京: 北京大学出版社, 2006.1

[4]卜小明, 龙全求. 一种薄板弯曲问题的四边形位移单元

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[5] 范立南, 韩晓微, 王忠石等. 基于多结构元的噪声污染灰度图像边缘检测研究[J]. 武汉大学学报(工学版),

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