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電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用。隨之出現了諸如降壓電路、升降壓電路、復合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。

早期的直流裝換電路，電路復雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現為這種電路的設計又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；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、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當今社會生產的要求；所以在直流轉換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。

1.2、設計的主要內容

本設計主要內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劃，確定了利用了全控型晶閘管IGBT設計為主電路，M57962L為驅動電路，采用快速熔斷器為保護電路，對豬電路和保護電路進行了設計和計算。選擇和校驗了晶閘管、IGBT的參數與型號。最后使用MATLAB仿真模型并進行仿真，其仿真結果設計要求，滿足設計參數。

設計第一章為緒論，介紹了本設計的背景意義及直流升壓斬波電路的發展現狀。第二章為直流升壓斬波電路的電路設計，其中包含總體方案，主電路設計及元器件參數型號的選擇。第三為輔助電路的設計，包括控制電路與保護電路。第四章為MATLAB系統仿真，內容有仿真波形與數據分析。

2、直流升壓斬波主電路設計

2.1、總體設計方案

直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖1所示。在電路中V導通時，電流由E經升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當V關斷時，電感產生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導通是，電容的放電回路。調節開關器件V的通斷周期，可以調整負載側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、電路參數計算

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

V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為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，關鍵有兩個原因：一是L儲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，認為V處于通態期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。

由直流斬波電路的原理可知

3、驅動電路設計

升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅動器件。IGBT的柵射極之間有數千皮法左右的極間電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻使IGBT開通的柵射極間的驅動電壓一般取15—20V。同樣，關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（-5—-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。

IGBT的驅動多采用專用的混合驅動集成驅動器，本次采用M57962L驅動器。如圖2驅動電路圖所示。又由產品信息知M57962L驅動器內部具有退飽和和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路發出故障信號。

4、保護電路設計

4.1、過電流保護電路

電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流。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采用集中過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。

綜合本次設計電路的特點，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯一個保險絲實施電流保護。如圖3電流保護電路所示。

圖3直流升壓斬波電路過流保護電路

對于所選的保險絲，遵從t2I值小于晶閘管的允許t2I值。

4.2、過電壓保護電路

電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因。本設計主要用于室內，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、合閘的開關操作引起的過電壓，電網側的操作過電壓會由供電變壓器磁感應耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應耦合過來。

根據以上產生過電壓的的各種原因，設計相應的保護電路。如圖2-4過壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制，當電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升，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，這樣形成一個保護電路。

5、電路仿真調試

5.1、仿真模型的選擇

在本次的設計中，采用了Psim軟件作為仿真工具來進行電路的模擬。首先畫出電路的結構圖如下所示：

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電壓，控制開關的關斷，以便得到升壓的電壓。

5.2、仿真結果及分析

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，藍線表示輸入電壓，而橙色表示輸出電流大小。

（1）當占空比為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，本次設計是成功的，理論與實際是相符的，我們得到了340V的輸出電壓。