1、緒論

1.1、課題背景與意義

直流升壓斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器，在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。

早期的直流裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計(jì)又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡(jiǎn)單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。

1.2、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為直流升壓斬波電路，首先分析了直流升壓斬波電路要求制定工作計(jì)劃，確定了利用了全控型晶閘管IGBT設(shè)計(jì)為主電路，M57962L為驅(qū)動(dòng)電路，采用快速熔斷器為保護(hù)電路，對(duì)豬電路和保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。選擇和校驗(yàn)了晶閘管、IGBT的參數(shù)與型號(hào)。最后使用MATLAB仿真模型并進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果設(shè)計(jì)要求，滿足設(shè)計(jì)參數(shù)。

設(shè)計(jì)第一章為緒論，介紹了本設(shè)計(jì)的背景意義及直流升壓斬波電路的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章為直流升壓斬波電路的電路設(shè)計(jì)，其中包含總體方案，主電路設(shè)計(jì)及元器件參數(shù)型號(hào)的選擇。第三為輔助電路的設(shè)計(jì)，包括控制電路與保護(hù)電路。第四章為MATLAB系統(tǒng)仿真，內(nèi)容有仿真波形與數(shù)據(jù)分析。

2、直流升壓斬波主電路設(shè)計(jì)

2.1、總體設(shè)計(jì)方案

直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖1所示。在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。

圖1直流升壓斬波電路原理圖

2.2、電路參數(shù)計(jì)算

假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為1I，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓0u為恒值，記為0U。設(shè)V通的時(shí)間為ont，此階段L上積蓄的能量為E1Iont。

V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為offt，則此期間電感L釋放能量為：

升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。

由直流斬波電路的原理可知

3、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)器件。IGBT的柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻使IGBT開通的柵射極間的驅(qū)動(dòng)電壓一般取15—20V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（-5—-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。

IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合驅(qū)動(dòng)集成驅(qū)動(dòng)器，本次采用M57962L驅(qū)動(dòng)器。如圖2驅(qū)動(dòng)電路圖所示。又由產(chǎn)品信息知M57962L驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部具有退飽和和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路發(fā)出故障信號(hào)。

4、保護(hù)電路設(shè)計(jì)

4.1、過電流保護(hù)電路

電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護(hù)措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時(shí)采用集中過流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。

綜合本次設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲實(shí)施電流保護(hù)。如圖3電流保護(hù)電路所示。

圖3直流升壓斬波電路過流保護(hù)電路

對(duì)于所選的保險(xiǎn)絲，遵從t2I值小于晶閘管的允許t2I值。

4.2、過電壓保護(hù)電路

電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設(shè)計(jì)主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。

操作過電壓是由分閘、合閘的開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會(huì)由供電變壓器磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應(yīng)耦合過來。

根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路。如圖2-4過壓保護(hù)電路所示。其中：圖中是利用一個(gè)電阻加電容進(jìn)行電壓抑制，當(dāng)電壓過高時(shí)，保護(hù)電路中的電容會(huì)阻礙其電壓的上升，從而使得電力電子器件IGBT管因電壓的的過高厄爾損壞。

圖4中的電阻可以是1KΩ左右的電阻，而電容的值可以為100μF左右，這樣形成一個(gè)保護(hù)電路。

5、電路仿真調(diào)試

5.1、仿真模型的選擇

在本次的設(shè)計(jì)中，采用了Psim軟件作為仿真工具來進(jìn)行電路的模擬。首先畫出電路的結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖6 ?直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖

由上圖中我們可以看到，在電路中，在IGBT的兩端加了脈沖觸發(fā)電壓，控制開關(guān)的關(guān)斷，以便得到升壓的電壓。

5.2、仿真結(jié)果及分析

在仿真過程中，我將取輸入的直流電壓為Ud=24~60V之間的任意值，將電感值取的盡可能的大，即L=500H，電阻值R=1000K，控制脈沖電壓UGE的占空比大小，即從示波器上觀察輸出電壓Uo大小，示波器上紅線表示輸出直流電壓，藍(lán)線表示輸入電壓，而橙色表示輸出電流大小。

（1）當(dāng)占空比為α=0.93，Ud=24V是，得到輸出直流電壓Uo=343.5V。

從上面的直流輸出電壓圖中我們可以看出來，本次設(shè)計(jì)是成功的，理論與實(shí)際是相符的，我們得到了340V的輸出電壓。