电气工程及自动化课程设计说明书直流降压斩波.doc

成绩 南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目 直流斩波电路设计 课 程 名 称 电力电子技术 院 系 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师 目 录一、电力电子技术的应用与发展2 二、直流斩波电路简介3三、整体设计方案3四、整流和滤波电路的设计44.1整流和滤波电路的工作原理4五、直流降压斩波电路计45.1降压斩波信号的产生45.2 Buck电路工作原理 5 5.3 Buck变化器外特性 75.4 Buck变换器参数设计 85.4.1 Buck变换器性能指标 85.4.2 占空比 85.4.3 滤波电感Lf 85.4.4 滤波电容Cf 95.4.5 开关管 Q的选取 9 六、完整组合电路10 七、仿真过程与效果分析107.1Matlab仿真 107.2 实验室仿真波形14八、体会总结14九、参考文献15 一、电力电子技术的应用与发展电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大的电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅是因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。电力电子技术研究的内容 电力电子技术研究的内容包括三个方面：电力电子器件、变换器主电路和控制电路。11电力电子器件 电力电子器件用于大功率变换和控制时，与信息处理用器件不同：一是必须具有承受高电压、大电流的能力·二是以开关方式运行。因此，电力电子器件也被称为电力电子开关器件。按照开通、关断的控制可分为3类：不控型、半控型和全控型。12电力电子变换器的主电路 现代电力电子技术的主要研究方向之一就是变换器主电路的拓扑优化。拓扑优化可以理解为：在变换器设计中，合理选择确定网络中各元件的位置，以便实现功能和性能指标要求且最经济。拓扑优化的目标为高频化、高效率、高功率因数和低变换损耗。高频化加软开关技术和PWM控制方式，既可以减少变换器体积、重量和开关损耗，又能提高波形质置、功率因数和变换效率。13电力电子电路的控铜 控制电路的主要作用是：为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号。驱动信号是根据控制指令，按照某种控制规律及控制方式而获得的。控制电路应该包括时序控制、保护电路，电气隔离和功率放大等电路。2 电力电子技术的应用电力电子技术是以功率和变换为主要对象的现代工业电子技术，当代工，农业等各个领域都离不开电能，高不开表征电能的电压，电流，频率、波形和相位等基本参数的控制和转换，而电力电子技术可以对这些参数进行精确的控制和高效的处理所以电子技术是实现电气工程现代化的重要基础。电力电子技术应用范围十分广泛，国防、工业、交通运输、能源，通信系统，电力系统、计算机系统、新能源系统以及家用电器等无不渗透着电力电子技术的成果下面简单的介绍几种。21一般工业电机调速 工业中大量应用各种交、直流电动机。直流电动机具有良好的调速性能，为其供电的可控整流电源或直流折波电源都是电力电子装置。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电动机的调速性能可与直流电动机相媲美。因此，交流调速技术得到了广瑟的应用，并且占据主导地位。22交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车采用整流装置供电，交流机车采用变频装置供电。如直流折波器广泛应用与铁道车辆，磁悬浮列车中电力电子技术更是一项关键的技术。新型环保绿色电动汽车和混合动力电动汽车正在积极发展中。汽车是靠汽油引擎运行而发展起来的机械，它排出大量二氧化碳和其他废气，严重污染了环境。绿色电动车的电机是以蓄电池为能源，靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子技术。显然。未来电动车将取代燃油汽车。船舶飞机需要各种不同要求的电源，因此航海、航空都离不开电力电子技术。23电力系统 发达国家在用户最终使用的电能中，有六成以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，是离不开电力电子技术的。高压直流输电，其送电端的整流和受电端的逆变装置都是采用晶闸管变流装置，它从根本上解决了长距离、大容量输电系统无功损耗问题。24新能源开发和利用 传统的发电方式是火力、水利以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、凤能发电的发展较快、燃料电池更受关注。太阳能、风能发电受到环境条件的制约，发出的电能质量较差。利用电力电子技术可以进行能力储存和缓冲。改善电能质量。同时，采用变速恒频发电技术，可以将新能源发电与电力系统联网。25环境保护随着工、农业迅速发展，特别是火力发电和水泥业的发展对自然环境的污染越来越严重。未来净化环境。提高人们的生活质量，在某些行业采用高压静电除尘措施是十分有效的，其关键也是微机和电力电子技术。总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，从人类对宇宙和大自然的探索到国防，从军事到国民经济的各个领域，再到人们的衣食住行都离不开电力电子技术。3电力电子技术的未来发展方向和前景电力电子技术已经进入各个领域，未来的广阔前景和发展方向，主要体现在下面几个方面：(1)新材料的进一步研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。因此，可以大大改进系统性能和降低成本，使它的应用范围越来越广。(2)改进器件和装置封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。(3)使用无需吸收电路并且关断延时小的集成门极换流晶闸管，使得在大功率应用场合的器件选择越来越容易。(4)多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。(5)体积小重量轻，损耗小、无功率的全半导体变流系统的设计。(6)采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。采用专家系统获得优化的实时性和系统容错性控制。(7)自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。（8)改善动力系统供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛运用。(9)高效、轻便、绿色的电动车供不应求。发展更高效的家用电器产品。如上分析，电力电子技术是目前发展较为迅速的一门学科，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，是传统产业改造的重要手段。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。可以预言，随着各学科新理论、新技术的发展，电力电子技术的应用具有十分广泛的前景。二、直流斩波电路简介 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。一、 整体设计方案整个设计主要分为四大块：降压变压电路的设计整流电路的设计滤波电路的设计降压斩波电路的设计，其中降压变压电路我用一个变比为4:1的降压变压器实现，整流电路我采用的是单相桥式电路整流：由四个整流二极管组成，但由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。滤波电路我采用的是RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。降压斩波电路的控制电路是以SG3525为核心构成的，其内部含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Rp的大小，在A、B两端可输出两个幅值相等、频率相等、相位相等、占空比可调的矩形波即PWM信号；主电路由IGBT、续流二极管、电感、电容、纯电阻组成，全控器件IGBT作为控制器，续流二极管作为模式2时的续流器件，电感作为模式1时的储能器件模式2时的电源，电容作为稳压器件，负载为纯电阻。二、 整流和滤波电路的设计4.1 整流和滤波电路的工作原理 整流电路由四个整流二极管组成，其整流出来的电压进行傅里叶分解得到： 从方程中可以看出输出的电压信号含有大量高次谐波信号，故需要进行滤波。通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波，以减小纹波，电路图如图1所示： 图1 输入端接220V、50Hz的交流电，经过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。五、直流降压斩波电路设计 5.1降压斩波信号的产生 此电路主要用来驱动IGBT斩波。本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号.芯片的外围电路连接几个电阻电容用来产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。该芯片内部还设有保护电路，提高了安全性。它还具有高抗干扰能力，可以放心使用。电路图如图2。 图2工作原理：通过R2、R3、C2结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。5.2 Buck电路工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。图1.1 Buck变换器电路图1.2 Buck变换器的主要工作波形 状态分析：在分析Buck变换器之前，做出以下假设： 开关管Q、二极管D均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1） 开关模态0t0t1t0t1对应图1.3（a)。在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。此时： （式1-1）电感中的电流线性上升，式1-1可写成： （式1-2）（2） 开关模态1t1t2t1t2对应图1.3（b)。在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。此时： （式1-3）电感中的电流线性下降，式1-3可写成： （式1-4）式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，联解式1-2与式1-4可得： （式1-5）输出电流平均值： （式1-6） 图1.3(a) t0t1 图1.3(b) t1t2 图1.3(a) t1t2的主要工作波形图1.3(b) t1t2的主要工作波形 5.3 Buck变化器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。图1.4为电感电流断续时电流波形图。由式1-2与式1-4可知，当输入电压和输出电压一定时，为常数。由式1-6可见，当负载电流减少到时，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流： （式1-7）由式1-2及式1-5得，带入式1-7得： （式1-8）由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值： （式1-9）当电感电流断续时，即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为： （式1-10）式中，为开关管关断后电感电流持续的时间，并且： （式1-11）稳态时，由式1-11得： （式1-12）将式1-11及式1-12带入式1-10得： （式1-13） 即： （式1-14）5.4Buck变换器参数设计5.4.1 Buck变换器性能指标输入电压：Vin=3060VDC（额定输入电压为48V）输出性能：Uout=24V(DC)； Uout(p-p)<25mv； Iout=2A； 当Iout=0.1A时，电感电流临界连续。开关频率：fs=200KHz。5.4.2 占空比根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围： （式2-1） 5.4.3滤波电感Lf（1）滤波电感量Lf计算变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以，以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感，即。在Q关断时，由式1-4得： （式2-2） 由于LfLf(min)，取Lf=360uH。5.4.4滤波电容Cf（1） 滤波电容量Cf计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout(p-p)<25mv。若设，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在时间间隔内充放电，电容充电的平均电流： （式2-8）电容峰峰值纹波电压为： （式2-9）因此，得： （式2-10）取，D=0.4时，Cf的值最大。即： （式2-11）由CfCf(max)得，取Cf=10uF。（2）滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为24V，则电容的耐压值为24V。（3）滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=4.7uF，耐压值为24V，留有一定的裕量，则选取10uF/50V电容。5.4.5 开关管Q的选取该电路的输入电压是30V60V，则开关管耐压值为60V，电流的最大值为，其开关频率为，因此选用的IGBT管2N6977，其额定值为400V/5A。5.4.6 续流二极管的选取续流二极管所承受的最大反向电压为Uin=60V；在时，二极管电流的有效值为；续流二极管的工作频率为f=200KHz。考虑一定的裕量，选用整流二极管1N5406，其电压和电流额定值为：600V/3A。六、完整组合电路总图形如图4所示： 图4七、仿真过程与效果分析Matlab仿真Matlab的接线图 在matlab中的接线我选择了全控器件GTO，端口g接脉冲发生器，端口a接50V电源，K输出直流信号，负载电阻25，电感360uH，脉冲导通时间ton=0.6T 图5 图6 ton=0.6T图中从上到下分别为：1、输入电流波形（GTO的电流波形）2、输入电压波形 (GTO的电压波形)3、脉冲发生器波形4、输出电流波形5、输出电压波形波形分析：由图中波形可以看出GTO导通时，Buck电路中的电感处于充电状态，输入输出电流都逐渐上升，电压为0，当GTO关断时，输入电流为0，电感处于放电状态，输出电流逐渐减小，电压为电源两端电压，幅值为50V，导通和截止都由脉冲发生器进行控制， 由图6可看出电感中的能量还没有完全释放完，脉冲就控制GTO导通了，于是电感又处于了充电状态，输出电流逐渐上升，不过这次的幅值相对于前一个周期增大了，如此循环下去波形如图6所示，若改变脉冲周期，得到的仿真波形如图7,图8所示： 图7.Ton=0.4T从图7可看到输入和输出电压都为不完整的矩形波，那是因为GTO导通时间太短，关断时间太长，在下一次触发脉冲来到时，上一次导通时所储存的能量早已释放完了，因此输出电流有一段为0。 图8.ton=0.52T从图8中可看出，此时的输出电流为非常完美的锯齿波，说明GTO导通时电感储存的能量在GTO关断期间刚好释放完毕，输入输出的电压波形也为完整的矩形波。实验室仿真波形 输入电压Uin波形 输出电压Uo波形 九、体会总结 通过本次课程设计，我对Buck电路有了深刻的了解，从元器件的选择到Matlab仿真，我增长了不少的知识，这些知识大部分都是通过网络了解得知的，当然也离不开书本，图书馆有大量关于电力电子和Matlab仿真的书籍，我借了几本，书本很厚，一一详细阅读当然是不太现实的，我选取了一部分跟这次课程设计有关的内容进行了解。关于这次的课程设计，我有过好几次的模拟都失败了，我开始想借助Visal来模拟接线，后来发现原件太少，型号也不好选，于是我改用了Multisim软件，以前电路上机实验我有用过这个软件，十分好用，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来完成仿真这一块，其实之前还有一个小插曲，我本来在网上搜索到很多人推荐用Protel软件，于是我下载了Protel99SE版本，但由于安装过程中出现了错误，最终没用成。用Matlab的这个过程中我发现Matlab是一个十分有用且好用的软件，就像李老师说的那样，一个合格的本科毕业的大学生必须掌握如何使用Matlab，所以我决定这次课程设计结束后，会在课余时间认真研究Matlab。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。整个课程设计就这样结束了，很辛苦但也很开心，因为我独立完成了任务，且收获很多难得的经验和知识。九、参考文献1. 颜世钢，张承慧编著.电力电子技术问答.北京：机械工业出版社，20072. 赵良炳编著.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，19973. 李先允主编.电力电子技术.北京：中国电力出版社，20064. 刘立平主编.电力电子技术.北京：中国电力出版社，20075. 李先允，陈刚编著.电力电子技术习题集.北京:中国电力出版社，20076. 郑宏婕主编.电力电子技术与应用.福建：福建科学技术出版社，20057. 陈杰编著.Matlab宝典.北京：电子工业出版社，2007