降压直流斩波电路设计 课程设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 降压直流斩波电路设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 董恒 职称/学位 硕士 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1202 学 号： 1230140227 完成时间： 2015年6月 湖南工学院电力电子课程设计课题任务书学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业 指导教师董恒学生姓名龙中辉 课题名称降压直流斩波电路设计内容及任务一、设计任务设计一个降压直流斩波电路，已知交流电源：单相220V，前级整流输出电压限制在50V以内，斩波输出电流最大值2A，纯电阻负载，斩波输出直流电压在1040V可调。二、设计内容1、关于本课程学习情况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、利用Matlab软件对自己的设计进行仿真。主要参考资料1 王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,20122 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,19913 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要直流-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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它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，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。关键词：直流斩波；降压斩波；Matlab仿真目 录1 电路总体设计方案1 1.1 设计课题任务1 1.2 功能要求说明1 1.3 设计总体方案和设计原理12 电路的设计3 2.1 整流滤波电路3 2.2 IGBT驱动电路的设计43 电路各元件的参数设定及元件型号选择6 3.1 各元件的参数设定6 3.2 元件型号选择84 系统仿真及结论9 4.1 仿真软件的介绍9 4.2 仿真电路及其仿真结果10 4.3 仿真结果分析12总结13参考文献14致 谢15附录 电子元器件表161 电路总体设计方案1.1 设计课题任务设计一个直流降压斩波电路。1.2 功能要求说明将24V直流电压降压输出并且平均电压可调，范围为0-24V。1.3 设计总体方案和设计原理降压斩波电路的原理图以及工作波形如图1所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。图1 降压斩波电路原理图如图2中V的栅极电压uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2所示。负载电压平均值为(1)式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式（1）可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为E，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。负载电流平均值为 (2)图2 降压斩波电路的工作波形2 电路的设计2.1 整流滤波电路本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得由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。本电路采用LC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。Protel原理图如图3所示：图3 整流滤波电路原理图输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为1.1）后输出200V、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）。2.2 IGBT驱动电路的设计 IGBT的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器LM358产生矩形波。 图4 LM358的引脚图LM358简介：LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。描述：运放类型:低功率放大器数目:2针脚数:8工作温度范围:0°C to -70°C封装类型:SOIC-3dB带宽增益乘积:1.1MHz变化斜率:0.6V/s器件标号:358电源电压 最大:32V电源电压 最小:3V安装器件:表面安装图5 比较器产生方波电路图其中2、3口是输入口4、6接直流电源电压1为输出口。3 电路各元件的参数设定及元件型号选择3.1 各元件的参数设定3.1.1 IGBT的参数设定图6 IGBT的简化等效电路以及电气图形符号表1 IGBT模块的术语及其说明术 语 符 号 定义及其说明（测定条件参改说明）集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流耗散功率 PC 单个IGBT所允许的最大耗散功率结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦关断电流 ICES 栅极、在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流图7 降压斩波电路电路图图8 降压斩波总电路图由图7所示此次设计的电源电压为220V，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UCE=220V。图9 IGBT的转移特性和输出特性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： (3) (4)式中，；。若取为10，则：3.1.2 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。3.1.3 电感的参数设定由于电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择L的值为1。3.2 元件型号选择考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440-660.额定电流33-44，二极管VD与其类似，VD的最大反向电压为220。选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600，额定电流为40。选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其额定电压为600，额定电流为25。4 系统仿真及结论4.1 仿真软件的介绍此次仿真使用的是Matlab软件。Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 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。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与Matlab® 紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。4.2 仿真电路及其仿真结果4.2.1 仿真电路图图10 降压斩波的Matlab电路的模型4.2.2 Matlab仿真结果 设置仿真时间为0.08s。仿真波形如图11,12,13,14,15所示。图11 =0.2时的仿真结果图12 =0.4时的仿真结果图13 =0.6时的仿真结果图14 =0.8时的仿真结果图15 =0.99时的仿真结果4.3 仿真结果分析由公式可得：当时， =10 =0.4时， =20。 =0.6时， =30。 =0.8时， =40。 =0.99时，=49.5V。上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以几乎没有误差。总结经过近一个星期的努力我终于顺利的完成了此次电力电子的课程设计，其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。遇到的问题和困难：(1) 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。(2) 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。(3) 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。学到的知识：(1) 通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。(2) 对直流斩波有了更深层次的理解。(3) 对Matlab软件和电路原理图的设计有了初步了解。(4) 在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努力才能打败困难，获得更多以的知识。参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术.5版.北京.机械工业出版社，20122 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,19913 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,19964 康华光. 电子技术基础模拟部分.5版.北京.高等教育出版社，20065 邱关源，罗先觉. 电路.5版.北京.高等教育出版社，20066 曹开成，张丹，罗雪莲.电路与电子技术实验.长沙.中南大学出版社，20097 王兆安，黄俊主编. 电力电子技术4版.机械工业出版社8 石玉，栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社，19989 浣喜明，姚为正. 电力电子技术.高等数学出版社，200010 莫正康. 电力电子技术应用.机械工业出版社，200011 郑琼林，耿学文. 电力电子电路精选.机械工业出版社，199612 刘立平主编. 电力电子技术.北京.中国电力出版社，200713 曲永印主编. 电力电子技术.北京.机械工业出版社，201314 李先允主编. 电力电子技术.北京.中国电力出版社，200615 陈杰编著. Matlab宝典.北京.电子工业出版社，2007致 谢对于这次课程设计的顺利完成，我首先要感谢董恒老师，是他上课细心的给我讲解了许多关于IGBT，二极管等电子元器件的相关知识并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向董老师表示我最衷心的感谢。同时，在我的设计过程中得到的学校许多的同学的热情的指导和详细的说明。此外，在遇到许多的不解困难的时候自己班里的同学也给我提供的最详细的解答，没有以上的每一个人的帮助，我的电力电子课程设计很难顺利的完成，在此，我对于在我的设计过程中给予我帮助的每一个人一并表示感谢。附录 电子元器件表名称型号数量二极管HFA25TB601IGBTIRG4PC40U1直流电源501电感11电阻101