直流斩波电路课设资料.doc

电力电子技术课程设计说明书 直流降压斩波电路的设计院 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要直流降压斩波电路又称为Buck变换器，它对输入电压进行降压变换。通过控制电路的占空比即通过IGBT来控制降压斩波电路的输出电压。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。首先分析了直流斩波主电路（即Buck变换器）的工作原理，计算了电路的电压电流和IGBT承受的正反向电压，按照留有裕量的选型原则，选择了IRG4PC40U型号的IGBT，并对其参数进行了介绍。利用PWM控制芯片SG3525作为触发电路的核心部件，最后利用MATLAB建立了仿真模型，设置了模型的参数，并进行了仿真。仿真结果证明了设计的正确性。关键字：设计；仿真；直流降压斩波；Buck 目 录1 绪论11.1设计的背景与意义11.2直流斩波发展现状11.3本设计主要内容22 直流斩波主电路的设计32.1设计原始参数32.2直流斩波电路原理32.3主电路的设计4 2.3.1 直流降压斩波电路4 2.3.2 直流降压斩波电路参数计算4 2.3.3 主电路参数分析53控制电路设计73.1PWM控制芯片SG3525简介及特点73.2 SG3525内部结构及工作特性73.3 触发电路94仿真调试104.1仿真软件的介绍104.2 仿真模型建立104.3 仿真结果分析12 结束语15参考文献16致谢17附录18 附录A：元件清单18 附录B：主电路CAD图191 绪论1.1 设计的背景与意义 直流斩波主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DCDC变换提供了可能。 由于直流斩波具有调压、调磁等作用，因此它的应用领域之一是直流电机的调速。直流电机的转速取决于电枢电压及磁场的大小，通过直流斩波器的调压作用，可以调节电机的电枢电压，达到调速的目的。另外，通过直流斩波器的调磁作用，可以调节电机的磁场及励磁电流，也可以达到调速的目的。直流电机调速在地铁、城市无轨电车、电动汽车等运输车辆上得到了广泛的应用。   直流斩波的另一应用领域是直流供电电源。在各种应用场合中，不同用电设备所需要的直流供电电压的等级不同，采用直流斩波器可以将单一的、不稳定的直流输入电压变换成负载所需要的稳定的、不同电压等级的直流供电电压，因为直流斩波器工作在开关状态，因此这种类型的直流供电电源也称为开关电源。开关电源在计算机、通信等各个领域也得到了广泛的应用。 1.2 直流斩波发展现状电力电子学(Power Electronics)是应用于电力技术领域中的电子学，在工程应用中称为电力电子技术(Power Electronic Technique)。它是以利用大功率电子器件对电能进行变换和控制为研究内容，是一门与电子、控制和电力紧密相关的边缘学科。它在电能的产生和使用之间建立了一种关系,在这种关系下，电能的产生、输送和使用都有很高的效率，而且各种不同的负载都能得到其所期望的最佳能量供应形式和最佳的控制。因此，电力电子技术不仅大量用于传统电力系统中的交直流输变电装置，更广泛应用于工业生产各个领域中各种电机的交直流调速，材料加工领域中各种加热电源(如中高频 感应加热电源、焊接电源等)的能量输出控制等。随着技术的发展，以电压驱动的各种全控型高频大功率器件及其功率模块相继出现，这为制造各种小巧轻便、性能 稳定的高效率和高品质高频开关电源提供了条件，这类电源目前广泛用于各种通讯设备、计算机乃至各类家电产品。 现代电力电子技术(Modern Power Electronic Technique)主要以该领域中那些后起的，目前最具发展前景的全控型电力电子器件如Power-MOSFET、IGBT、MCT、PIC等为背景，介绍它们的基本结构、工作原理、主要参数、应用特点，以及器件应用中的驱动、保护等基本问题，分别介绍在硬PWM开关和软PWM开关条件下的各类变换电路。而直流斩波器（DC Chopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路应用的两个重要领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。前者是斩波电路应用的传统领域后者则是斩波电路应用的新领域。直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器（Buck Chopper）、升压斩波器（Boost Chopper）、升降压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。 1.3 本设计主要内容首先分析了直流斩波主电路（即Buck变换器）的工作原理，计算了电路的电压电流和IGBT承受的正反向电压，按照留有裕量的选型原则，选择了IRG4PC40U型号的IGBT，并对其参数进行了介绍。利用PWM控制芯片SG3525作为触发电路的核心部件，最后利用MATLAB建立了仿真模型，设置了模型的参数，并进行了仿真。仿真结果证明了设计的正确性。 本设计说明书主要分为4章，第1章绪论，主要介绍了直流斩波的应用及发展现状。第2章直流斩波主电路的设计主要介绍了直流斩波电路原理及直流降压斩波电路的主电路设计、参数分析等。第3章触发电路分析主要介绍了PWM控制芯片SG3525简介及其内部结构、工作特性，整体触发电路的相关设计。第4章电路系统仿真及结论主要介绍了仿真软件MATLAB的Simulink组件，仿真电路及其仿真结果分析。2 直流斩波主电路的设计2.1 设计原始数据 设计一个电路，要求实现直流输入电压200V，输出电压50V-100V连续可调，输出最大电流40A，实现DC-DC变换，接阻感性负载。2.2 直流斩波电路原理 直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如图1所示。在开关器件V导通时，有电流经电感L向负载供电，在V关断时，电感L释放储能，维持负载电流，电流经负载和二极管VD形成回路。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。 图1 直流降压斩波电路 （1）式（1）中 T为V开关周期, 为导通时间， 为占空比。 Uo最大为E，减小 ，Uo随之减小，降压斩波电路。也称为Buck变换器(Buck Converter) 负载电流平均值为： （2） 电流断续时，Uo平均值会被抬高，一般不希望出现。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式: （l）保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为PWM(Pulse Width Madula-tion)或脉冲调宽型。 （2）保持开关导通时间不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。 （3）和T都可调，使占空比改变，称为混合型。2.3 主电路的设计2.3.1 直流降压斩波电路直流降压斩波主电路框图，如图2所示：图2 直流降压斩波主结构框图2.3.2 直流降压斩波电路参数计算（1）设计降压斩波电路中，直流降压变压器电源电压E=200V，负载电阻R=10，试选L=2mH,T=50S,=25S。根据判断电流断续的条件： (3) ， (4) 所有所选L符合要求，电流不断续。 （2）IGBT的参数设定此次设计的电源电压为220V，开关频率f=40kHz,当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为电源电压，因此。 UGE(th)随温度的升高略有下降，温度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C时，UGE(th)的值一般为2-6V。 参考电力电子技术课本可得： （5） （6） 式（5）、（6）中，；。若取为22，则：A （3）续流二极管VD的参数设定VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通是的电源电压100V。所承受的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流，此电流为A。 （4）电感的参数设定 由上面所选的电阻10，根据欧姆定律： （7） 由式（7）可知，当=80V时，A;当=50V时，A;根据电感电流连续时电感量临界值条件：为了保证负载最小电流电路能够连续，取A来算，可得L=0.0625mH，所以只要所取电感L>0.0625mH ，取L=1mH。设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式： （8）由式（8）可得 取C=0.47mF 2.3.3 主电路参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下： (1) 电源 要求输入电压为200V。其直流稳压电源模块前面已完成，以该直流稳压电源作为系统电源。 (2) 电阻 因为当输出电压为50-100V时，输出电流为10A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 ，可得到电路电阻应该在。 (3) IGBT 当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为220V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为10A。故需选择集电极最大连续电流A，反向击穿电压V的IGBT。而一般的IGBT都满足要求。考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440V-660V，额定电流33A-44A，二极管VD与其类似，VD的最大反向电压为220V。因此，选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600V，额定电流为40A。 (4) 二极管 当=1时，其承受最大反压200V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于10A，故需选择，的二极管。因此，选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其额定电压为600V，额定电流为25A。 (5) 电感 选择大电感L(为700mL)。3 控制电路设计3.1 PWM控制芯片SG3525简介及特点 随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用， 为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流调节脉宽。 在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高， 是目前比较理想的新型控制器，可满足对Buck主电路的脉冲触发控制。SG3525特点： (1)工作电压范围宽：835V。 (2)5.1（1.0%）V 微调基准电源。 (3)振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz。 (4)具有振荡器外部同步功能。 (5)死区时间可调。 (6)内置软启动电路。 (7)具有输入欠电压锁定功能。 (8)具有PWM琐存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。 (9)双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。3.2 SG3525内部结构及工作特性（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。（2）振荡器3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值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，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为： （3）SG3525引脚图SG3525的引脚图如图3所示。图3 SG3525引脚图（4）SG3525的内部结构SG3525的内部结构如图4所示。图4 SG3525的引脚以及内部框图在直流降压斩波电路中可以通过调节2脚接的电阻值改变输出脉冲信号的占空比，根据求频率f的公式计算出SG3525外接元件参数。 3.3 触发电路 MOSFET驱动器是一款高频高电压栅极驱动器，可利用一个同步 DC/DC 转换器和高达100V的电源电压来驱动两个N沟道 MOSFET。强大的驱动能力降低了具高栅极电容MOSFET中的开关损耗。针对两个与电源无关的输入进行配置。高压侧输入逻辑信号在内部被电平移位至自举电源，此电源可以在高出地电位达114V的电压条件下运行。在电源系统中，MOSFET驱动器一般仅用于将PWM控制IC的输出信号转换为高速的大电流信号，以便以最快的速度打开和关闭MOSFET。由于驱动器IC与MOSFET的位置相邻，所以就需要增加智能保护功能以增强电源的可靠性。MOSFET驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。MOSFET驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统， MOSFET驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与MOSFET的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本文采用SG3525设计的光耦驱动电路是一种可靠的MOSFET驱动方案。电路设计如图5所示。图5 SG3525光耦驱动电路 4 仿真调试4.1 仿真软件的介绍 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 丰富的可扩充的预定义模块库 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通ModelExplorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。4.2仿真模型的建立本设计借助于Matlab的Simulink工具箱来实现buck电路的建模。图6为未带反馈的buck电路模型图。图6为未带反馈的buck电路模型图该电路中开关器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器Pulse Generator产生，Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜单Sources类别中。在绘制仿真图时，打开Simulink Library Browser，可以在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，如Pulse Generator，双击查找。找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。IGBT和二极管，选择SimPowerSystems下拉菜单Power Electronics类别中的IGBT和Diode。电阻、电感和电容元件，选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的Series RLC Branch，放入窗口后，双击该图标，在Branch Type中选择相应类型，如电阻选R，电感选L，电容选C，选择完毕后单击OK按钮。放齐元件后，按降压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜单Commonly Used Blocks类别中选择Scope，即示波器，以观测输出电压波形。在不带反馈的Buck模型下，记录下仿真的输出电压波形。 图7 带反馈buck电路模型图本模型的建立利用PWM控制原理，利用Simulink库里面的减法器模拟误差放大器，在constant模块里设定的常数模拟参考电压，因simulink中没有专门的比较器，故利用一个减法器和一个选择开关模拟比较器，结合buck开环模型构成了带反馈自调整的buck模型。4.3 仿真结果分析因为输入电压为200V，仿真过程中控制占空比为50%，则输出电压为100V,下面将对输出电压为100V时，未加反馈和加反馈的buck电路进行对比分析。图8 未加反馈的仿真结果图 图9 加反馈的仿真结果图将图8和图9进行对比可得出，两个电路在启动时会有短暂的过电压过程，这在设计电路时要加过压保护电路。且过电压峰值基本相同，说明施加反馈的过程中没有改变超调量，但可以看出，施加反馈环节大大地缩短了输出电压的调节时间，且使输出更稳定，所以，在实际应用中，我们要尽量设计闭环系统，开环系统往往对干扰的抑制能力有限，容易造成系统的不稳定。适当的施加恰当的反馈，有利于改善系统的动态性能，同时提高系统的稳定性。图10 流过电感的电流波形图11 流过二极管的电流波形图12 输出电流波形对比以上三幅图，图10为流过电感的电流波形，当开关管导通时，导通压降为零，加在电感上的电压就为输入与输出电压之差，由于电感上的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升，且斜率为，使得电感电流为右阶梯的斜坡。而图11所示为续流二极管的电流波形，当开关管关断时，电流转移流向二极管，此时电感两端电压的极性相反，电感中的电流线性下降且斜率为，所以波形为图12所示的下降的阶梯斜坡。由电路工作过程分析及三幅波形图的对比可得出输出电流的波形就是流过电感和续流二极管的电流波形叠加的结果。 结束语学习电力电子技术这门课已经一个学期了，正所谓“纸上得来终觉浅”，通过本次课程设计，我对直流降压斩波电路有了深刻的了解，从主电路的设计到触发电路的设计，从元器件的选择到Matlab仿真，使我深感自己知识的不足，但通过到图书馆查阅相关资料以及浏览相关网站使我增长了不少的知识，详细阅读当然是不现实的，我选取了一部分跟这次课程设计有关的内容进行了解，最终成功完成了直流降压斩波电路的设计。 关于本次的课程设计，刚开始我选用了Multisim软件，以前电路上机实验我有用过这个软件，我用的版本是multisim10,里面的芯片还是挺齐的，唯一的遗憾就是没有SG3525芯片，于是我用了一个16个接线头的集成电路模拟，在仿真的时候我用输入矩形波代替了SG3525，不过仿真过程不太顺利，老是有错误出现无法运行，这让我有些泄气。于是我决定还是用Matlab中的Simulink来完成仿真这一块。WPS文字编辑也越熟练了。电脑上仿真差不多以后我又到学校的实验室对电路进行了实际接线，其实在平时的实验中我有做过Buck电路，实验台上的器件也很齐全，接线也比较容易，所以完成得比较顺利。 当然在设计的过程中也遇到了很多的问题，比如在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数；在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件；在用MATLAB软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。 在近年美国总统科技顾问委员会提交的咨询报告中，列举了6项关系到国民经济发展和国家长久安全的国家关键技术，即材料、制造业、信息和通讯、生物技术、航空和运输、能源和环境。从中我们可以看到，除生物技术一项外，其他5项技术都与电力电子装置有关。在我国制定的“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中，电力电子装置将被广泛地应用和渗透到所规定的“重点领域及其优先主题”中的能源、环境、装备制造业、交通运输、国防;“前沿技术”中的先进能源技术、激光技术、航空航天技术;及“重大专项”中的核心电子器件、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域。而我还只是个电力电子方面的初学者，经过本次的课程设计使我对电力电子这个学科产生了浓厚的兴趣，今后我一定会努力学习电力电子相关方面知识，用知识、技术武装自己。 参考文献1 黄家善，王廷才，电力电子技术M.北京：机械工业出版，2000：193.2康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,19983 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，19984 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，20015 阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，20006 陈汝全电子技术常用器件应用手册M机械工业出版社7 陈礼明实际直流斩波电路中若干问题的浅析梅山科技，20058 王兆安，刘进军，电力电子技术M.第五版.北京：机械工业出版， 2009.9 樊立平，王忠庆，电力电子技术M.北京：中国林业出版，北京大学出版 社,2006:116-119.10 曲学基，曲敬铠，于明扬，电力电子整流计算及应用M.北京：电子工业出版社，2008:192-196. 致 谢 在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。 首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力，巩固了电力电子技术这门课。 其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。 最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。附 录附录A元件清单序号器件名称大小、型号数量1续流二极管HFA25TB6012IGBTIRG4PC40U13电阻14电感1H1A1 主电路元器件清单序号器件名称大小、型号数量1二极管IN523212二极管IN414813熔断器WICKMANN 181 14电阻15电阻16电阻27电位器18电感1H19电容1A2 辅助电路元器件清单