湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計

1、等級:湖南工程學院應用技術學院課 程 設 計課程名稱 電力電子技術 課題名稱 DC-DC變換電路分析 專 業(yè) 電氣工程 班 級 學 號 姓 名 指導教師 李祥來 2014 年 月 日湖南工程學院課程設計任務書 課程名稱： 電力電子技術 題 目：DC-DC變換電路分析 專業(yè)班級： 電氣1184 學生姓名： 學號： 指導老師： 審 批： 任務書下達日期 2014年月日設計完成日期 2014年月日 設計內(nèi)容與設計要求一 設計內(nèi)容：1、 分析研究DC-DC變換電路（Buck電路）；2、 用MATLAB對設計的電路進行仿真；3、 根據(jù)仿真結果分析，電路各元件參數(shù)選擇依據(jù)；4、 完成報告撰寫。二 設計要求

2、：1 設計思路清晰，給出各種情況下的整體設計框圖；2 給出具體設計思路和電路；3 分析各電路的原理，并進行相應的仿真；4 寫出設計報告； 主要設計條件1、 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 每個電路總體思路，基本原理和框圖；5 驅動電路設計分析（驅動電路電路圖）；6 電路實驗、仿真等。7 分析總結；8 附錄（完整電路圖）；9 參考文獻；11、課程設計成績評分表前 言直流-直流變流電路（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路，直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Ch

3、opper）,它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蛘呖烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此，也稱為帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。習慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況，且甚至更多地指后一種情況。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他

4、的電路打下基礎。降壓斬波電路（Buck Chopper）的設計與分析是接下來課程設計的主要任務。目錄一降壓斬波電路61.1 降壓斬波原理：61.2 工作原理71.3 IGBT結構及原理7二 直流斬波電路的建模與仿真102.1IGBT驅動電路的設計102.2電路各元件的參數(shù)設定102.3元件型號選擇102.4仿真軟件介紹102.5仿真電路及其仿真結果102.6仿真結果分析10三課設體會與總結21四附錄（完整電路圖）21五參考文獻21六課程設計成績表21一降壓斬波電路1.1 降壓斬波原理降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖及工作波形如下圖所示。該電路使用一個全控器件V，圖中為IGBT，

5、也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置是晶閘管關斷的輔助電路。圖中，在為V關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中EM所示。若負載中無反電動勢時，只需令EM=0.以下的分析及表達式均可適用。由圖b中V的柵射電壓UGE波形可知，在t=0時刻驅動V導通，電源E向載提供電，負載電壓U0=E，負載電流I0按指數(shù)曲線上升。 負載電壓的平均值，和負載電流的平均值：式中為V處于通態(tài)的時間；為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比，簡稱占空比或導通比。 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同

6、，斬波電路有三種控制方式：1） 保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間，稱為PWM。2） 保持開關導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1.2 工作原理 1）t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。2）t=t1時刻控制V關斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大 。3）t=t2時刻，再次驅動V導通，重復上述過程。l 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析l 從能量傳遞關系出發(fā)進行的推導l 由于L為無窮

7、大，故負載電流維持為Io不變l 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為El 在整個周期T中，負載消耗的能量為（RT+T）一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器該電路使用一個全控器件V，途中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置晶閘管關斷的輔助電路。為在V關斷時給負載的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個拖動直流電動機，也可以帶蓄電池負載，兩種情況均會出現(xiàn)反電動勢。1.3 IGBT結構及原理IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是

8、由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。方法IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造

9、成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。導通IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件?；膽?/p>

10、用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 一個空穴電流(雙極)。關斷當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐

11、漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。二 直流斬波電路的建模與仿真2.1 IGBT驅動電路的設計IGBT的驅動是矩形波，所以我選擇了由比較

12、器LM358產(chǎn)生矩形波。圖2.1.1 LM358的引腳圖LM358簡介：LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。圖2.1.2 比較器產(chǎn)生方波電路圖其中2、3口是輸入口4、6接直流電源電壓1為輸出口。2.2 電路各元件的參數(shù)設定1. IGBT的參數(shù)設定圖2.2.1 IGBT的簡化等效電路以及電氣圖形符號術語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)

13、射極間短路時的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流IC集電極所允許的最大直流電流耗散功率PC單個IGBT所允許的最大耗散功率結溫Tj元件連續(xù)工作時芯片溫廈關斷電流ICES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時的集電極電流。表2.2.2 IGBT模塊的術語及其說明圖2.2.3 降壓斬波電路電路圖圖2.2.4 降壓斬波總電路圖由圖3.2所示此次設計的電源電壓為220V，當二極管VD導通時V的C和E兩端承受的電壓為電源電壓，因此UCE=220V。圖2.2.5 IGBT的轉移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有

14、下降，溫度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C時，UGE(th)的值一般為2-6V。參考電力電子技術課本可得： 式 3.1 式 3.2式中，；。若取為10，則：2. 續(xù)流二極管VD的參數(shù)設定VD所承受的最大反向電壓是當IGBT導通時的電源電壓100V。所承受的最大電流是當IGBT關斷瞬間電感L作用在VD上的電流，此電流為。3. 電感的參數(shù)設定由于電感L要盡量大一些否則會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況，所以選擇L的值為1。2.3元件型號選擇考慮其安全裕度則IGBT的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440-660.額定電流33-44，二極管VD與其類似，VD的

15、最大反向電壓為220。選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600，額定電流為40。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，其而定電壓為600，額定電流為25。2.4 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方

16、軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真

17、結果。 Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。2.5仿真電路及其仿真

18、結果1.仿真電路圖圖2.5.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型2.MATLAB的.仿真結果如下：圖2.5.2 =0.2時的仿真結果圖2.5.3 =0.4時的仿真結果圖2.5.4 =0.6時的仿真結果圖2.5.5 =0.8時的仿真結果圖2.5.6 =0.99時的仿真結果2.6 仿真結果分析由公式可得：當時，=44=0.4時，=88。=0.6時，=132。=0.8時，=176。=0.99時，=217.8。上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。三課設總結與體會四.附錄（完整電路圖）五參考文獻 進 度 安 排 第1周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二: 熟悉基本直流斬波電路； 星期三: 分析直流斬波電路；星期四: 分析直流斬波電路； 星期五: 設計直流斬波電路；第2周星期一: 設計直流斬波電路；星期二：實驗仿真、波