电力电子技术课程设计说明书
IGBT升压斩波电路设计
（纯电阻负载）
院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 吕小洋 指导教师： 王翠 职称 博士 专 业： 自动化 班 级： 自本1003班 完成时间： 2013年5月19日
直流变直流是电力电子技术中变流技术的重要部分，广泛应用于电子领域。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，它的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本课程设计就是其中的一种斩波电路，即升压斩波电路。
本课程设计采用IGBT全控型器件，采用专用PWM控制集成电路SG3525进行驱动，并利用MATLAB的Power System工具箱进行主电路的仿真实验，满足了设计要求，是一次比较成功的设计。
关键词 直流变直流；升压斩波电路；IGBT；SG3525
1 设计任务与功能要求 …………………………………………………………1 1.1 设计总体要求 ……………………………………………………………1 1.2 设计课题任务及要求 ……………………………………………………1 1.3 设计方案与总体框图 ……………………………………………………1
2 主电路设计 ……………………………………………………………………2 2.1 工作原理 ………………………………………………………………2 2.2 参数的计算 ……………………………………………………………4
3 控制和驱动电路的设计 ………………………………………………………6 3.1 控制电路设计 …………………………………………………………6 3.2 驱动电路设计 …………………………………………………………7 3.3 保护电路设计 …………………………………………………………8 3.4 总电路 …………………………………………………………………9
4 系统仿真与分析 ……………………………………………………………10 4.1 仿真软件Matlab简介 ………………………………………………10 4.2 仿真模型的建立 ………………………………………………………10 4.3 系统仿真结果及分析 …………………………………………………12
结束语 ……………………………………………………………………………13 致 谢 ……………………………………………………………………………14 参考文献 …………………………………………………………………………15
1 设计任务与功能要求
1.1
设计总体要求
（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。
（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。 （3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。 （4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。 （5）广泛收集相关技术资料。 （6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。
（7）按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。 （8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。
1.2 设计课题任务及要求
1、输入直流电压：Ud=50V； 2、输出功率：300W； 3、开关频率：5KHz； 4、占空比：10%~50% ； 5、输出电压脉率：小于10%。
设计一个IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载），要求：
1.3 设计方案与总体框图
斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压Uo的大小。
控制与驱动电路模块：用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT的开通与关断。
电路模块：驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。
驱动电路模块：控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。
系统总体流程图如图1所示。
图1 系统总体流程图
2 主电路设计
直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压斩波电路，又叫Boost变换器，其原理图及工作波形如图2所示
iGio
b)波形
R
2.1
图2 升压斩波电路原理及其工作波形图
工作原理
在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，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，二极管的作用是阻断V导通时电容的放电回路。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。
分析升压斩波电路的工作原理时，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。因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EIlton。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。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E) Iltoff。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
化简得
Uo=
ton+tofftoff
EIlton=(Uo-E) Iltoff
E=t
T
off
(1) (2)
E
式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。又称boost变换器（Boost Converter）。
式（2）中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。将升压比的倒数记作β，即β=
因此，式（2）可表示为：
Uo=βE=1−αE (4)
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Uo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，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4）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。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EIl=UoIo
根据电路结构并结合式（4）得出输出电流的平均值Io为
Io=
由式（5）即可得出电源电流Il为
Il=
UoEUoR1
1
toffT
。则β和占空比α有如下关系
α+β=1
(3)
(5)
该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。
1E
=β R (6)
1E
Io=β2 R(7)
下面确定电流连续的临界条件：
如果在T时刻电感电流
电力电子技术课程设计说明书
IGBT升压斩波电路设计
（纯电阻负载）
院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 吕小洋 指导教师： 王翠 职称 博士 专 业： 自动化 班 级： 自本1003班 完成时间： 2013年5月19日
直流变直流是电力电子技术中变流技术的重要部分，广泛应用于电子领域。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，它的功能就是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本课程设计就是其中的一种斩波电路，即升压斩波电路。
本课程设计采用IGBT全控型器件，采用专用PWM控制集成电路SG3525进行驱动，并利用MATLAB的Power System工具箱进行主电路的仿真实验，满足了设计要求，是一次比较成功的设计。
关键词 直流变直流；升压斩波电路；IGBT；SG3525
1 设计任务与功能要求 …………………………………………………………1 1.1 设计总体要求 ……………………………………………………………1 1.2 设计课题任务及要求 ……………………………………………………1 1.3 设计方案与总体框图 ……………………………………………………1
2 主电路设计 ……………………………………………………………………2 2.1 工作原理 ………………………………………………………………2 2.2 参数的计算 ……………………………………………………………4
3 控制和驱动电路的设计 ………………………………………………………6 3.1 控制电路设计 …………………………………………………………6 3.2 驱动电路设计 …………………………………………………………7 3.3 保护电路设计 …………………………………………………………8 3.4 总电路 …………………………………………………………………9
4 系统仿真与分析 ……………………………………………………………10 4.1 仿真软件Matlab简介 ………………………………………………10 4.2 仿真模型的建立 ………………………………………………………10 4.3 系统仿真结果及分析 …………………………………………………12
结束语 ……………………………………………………………………………13 致 谢 ……………………………………………………………………………14 参考文献 …………………………………………………………………………15
1 设计任务与功能要求
1.1
设计总体要求
（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。
（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。 （3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。 （4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。 （5）广泛收集相关技术资料。 （6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。
（7）按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。 （8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。
1.2 设计课题任务及要求
1、输入直流电压：Ud=50V； 2、输出功率：300W； 3、开关频率：5KHz； 4、占空比：10%~50% ； 5、输出电压脉率：小于10%。
设计一个IGBT升压斩波电路设计（纯电阻负载），要求：
1.3 设计方案与总体框图
斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。其中，主电路模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压Uo的大小。
控制与驱动电路模块：用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号送给驱动电路，经驱动电路来控制IGBT的开通与关断。
电路模块：驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。
驱动电路模块：控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。
系统总体流程图如图1所示。
图1 系统总体流程图
2 主电路设计
直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压斩波电路，又叫Boost变换器，其原理图及工作波形如图2所示
iGio
b)波形
R
2.1
图2 升压斩波电路原理及其工作波形图
工作原理
在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，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，二极管的作用是阻断V导通时电容的放电回路。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。
分析升压斩波电路的工作原理时，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。因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EIlton。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。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E) Iltoff。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
化简得
Uo=
ton+tofftoff
EIlton=(Uo-E) Iltoff
E=t
T
off
(1) (2)
E
式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。又称boost变换器（Boost Converter）。
式（2）中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。将升压比的倒数记作β，即β=
因此，式（2）可表示为：
Uo=βE=1−αE (4)
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Uo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，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（4）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。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EIl=UoIo
根据电路结构并结合式（4）得出输出电流的平均值Io为
Io=
由式（5）即可得出电源电流Il为
Il=
UoEUoR1
1
toffT
。则β和占空比α有如下关系
α+β=1
(3)
(5)
该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。
1E
=β R (6)
1E
Io=β2 R(7)
下面确定电流连续的临界条件：
如果在T时刻电感电流