電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)之降壓斬波電路

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)目 錄摘要一、概述2二、設(shè)計(jì)方案3三、主電路設(shè)計(jì)5四、Simulink仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)8五、總結(jié)17六、參考文獻(xiàn)18一、概述從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積，卻降低了效率。發(fā)熱增多，體積縮小，難過高溫關(guān)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)MOSFET的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加。工程師們開始研究各種避開開關(guān)損耗的軟開關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在。一項(xiàng)是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一

2、項(xiàng)就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專利已經(jīng)于2002年2月到期。VICOR公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。特別是驅(qū)動(dòng)損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，其效率是無法再提高的。因此，其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關(guān)。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利

3、。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓樸的有源箝位。這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù)，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術(shù)專利，并獲準(zhǔn)。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載。所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，因而它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)

4、92%的效率及250W/in3以上的功率密度。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，本課程設(shè)計(jì)的仿真即需要在SIMULINK中來完成電路的仿真與計(jì)算。通過系統(tǒng)建模和仿真，掌握和運(yùn)用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法。直流斬波電路（DC Chopper）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，也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC

5、 Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。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(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎(chǔ)。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路，如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動(dòng)和開關(guān)電源領(lǐng)

6、域，是電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了GTR和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。所以，此課程設(shè)計(jì)選題為：設(shè)計(jì)使用全控型器件為IGBT的降壓斬波電路。主要討論電源電路、降壓斬波主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)。二、設(shè)計(jì)方案本課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了MATLAB 軟件及其組件之一SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。系統(tǒng)主要包括：直流穩(wěn)壓電源部分、BUCK降壓斬波主電路部分、PWM控制部分和負(fù)載。BUCK降壓斬波主電路部分拖動(dòng)帶反電動(dòng)勢的電

7、阻負(fù)載，模擬現(xiàn)實(shí)中一般的負(fù)載，若實(shí)際負(fù)載中沒有反電動(dòng)勢，只需令其為零即可。在SIMULINK中完成各個(gè)功能模塊的繪制后，即可進(jìn)行仿真和調(diào)試，用SIMULINK提供的示波器觀察波形，進(jìn)行相應(yīng)的電壓和電流等的計(jì)算，最后進(jìn)行總結(jié)，完成整個(gè)BUCK變換器的研究與設(shè)計(jì)。電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷。來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。因此，一個(gè)完整的降壓斬波電路也應(yīng)包括主電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路這些環(huán)節(jié)。根據(jù)降壓斬波電路

8、設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1電路框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制IGBT的開通和關(guān)斷來控制IGBT降壓斬波電路的主電路工作。保護(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓和欠電壓等現(xiàn)象損害電路設(shè)備。三、主電路設(shè)計(jì)1、主電路設(shè)計(jì)如圖2，設(shè)計(jì)一個(gè)降壓變換器，輸入電壓為220V，輸出電壓為50V，紋波電壓為輸出電壓的0.2%，負(fù)載電阻為20，工作頻率分別為20KH

9、z.分別仿真將工作頻率改為50KHz，電感改為約臨界電感值的一半進(jìn)行對比分析。圖2 降壓斬波主電路圖2、保護(hù)電路設(shè)計(jì)1）過電壓保護(hù)所謂過電壓保護(hù)，即指流過IGBT兩端的電壓值超過IGBT在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上，因而，下面介紹直流斬波電路主電路的過電壓保護(hù)方法。其電路如圖3所示圖 3 過電壓保護(hù)電路2）過電流保護(hù) 所謂過電流保護(hù)，即

10、指流過IGBT的電壓值超過IGBT在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值Im都稱為過電流。這里采用圖4所示的電路圖4 過電流保護(hù)電路3） IGBT的保護(hù) 靜電保護(hù) IGBT的輸入級為MOSFET，所以IGBT也存在靜電擊穿的問題。防靜電保護(hù)極為必要。在靜電較強(qiáng)的場合，MOSFET容易靜電擊穿，造成柵源短路。采用以下方法進(jìn)行保護(hù)：應(yīng)存放在防靜電包裝袋、導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時(shí)，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿引線。工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)電烙鐵功率應(yīng)不超過25W，最好使用12V24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地點(diǎn)，先焊柵極，后焊漏極與源極。在測試MOSFET時(shí)，測量儀器和工作臺都必須良好接

11、地，MOSFET的三個(gè)電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓，改換測試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。 過電流保護(hù)IGBT過電流可采用集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)方法，電路如圖5所示圖 5 集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)電路 短路保護(hù) 圖 6 短路保護(hù)電路4) 緩沖電路 緩沖電路（吸收電路）的作用主要是抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。這里采用由R LC組成的電路來吸收電壓、電流，如圖7。圖7 緩沖電路3、主電路的計(jì)算和元器件的參數(shù)選型 1）計(jì)算定義開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton與開關(guān)周期Ts的比值為占空比，用Dc表示Dc=ton/Ts電感Lc= Uo(1-Dc)Ts

12、/(2Po*Po) 其中: Po= Uo*Io紋波電壓U1= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LC電容C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU12)元器件參數(shù)主開關(guān)管可以使用MOSFET,開關(guān)頻率為20Hz；輸入200V，輸出50V，可確定占空比為Dc=25%選擇電感Lc= Uo(1-Dc)Ts/(2Po*Po)=3.75*10(-4)H這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>Lc則電感電流連續(xù)，試劑電感值可選為1.2倍的臨界電感值，可選擇為4.5×104H；據(jù)波紋的要求計(jì)算電容值C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU1=2.6*10(-4)F當(dāng)開關(guān)頻率為50kHz時(shí)，L=

13、1.8*10(-4)H,C=1.04*10(-4)四、Simulink仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、建立一個(gè)buck的新模型在“SimpowerSytems/Electrical Sources”庫中選擇”DC voltage source”直流電壓模塊在對話框中將直流電壓設(shè)置為200V。如下圖：在“SimPowerSystems/ElectricalSources”庫中選擇“Series RLC Branch”,右鍵選擇單擊并拖動(dòng)，在復(fù)制出2個(gè)該元件，分別在對話框中“Branch Type”下拉菜單中選擇R、L、C，按照1）的計(jì)算結(jié)果賦值，在電感元件的對話框里最下方“Mesurement”選擇“Branc

14、h voltage and current”,以使能電感的端電壓測量和電流測量，電阻元件的對話框里“Mesurement”選擇“Branch voltage”，以使能負(fù)載電阻端的電壓測量，亦即Buck變換器的輸出電壓，具體如下圖：在“SimPowerSystems/ Mesurement” 庫中選擇“Multimeter”,對話框中的坐便又“Ub;L”、“Ib:L”、“Ub:R”幾項(xiàng)，依次選中，在右邊窗口中顯示，這樣就可以對電感電壓、電感電流、負(fù)載電阻電壓進(jìn)行測量,如下圖： 在“Simulink/Source”庫中選擇“Pulse Generator”庫中選擇“Pulse Center”,對話

15、框中“Period(secs)”設(shè)置為20e-6,“Pulse Width(% of period)”設(shè)置為25，其他設(shè)置保持為缺省值。如下圖：在“Simulink、Signal Routing”庫中選擇：“Bus Selector”,在復(fù)制出1個(gè)，分別連接在“Mosfet”和“Diode”的測試端口，將“Bus Selector”設(shè)置為測試各自的電流，連接二極管的“Bus Selector”對話框設(shè)置，如下圖：在“Simulink/sink”庫中選擇示波器“Scope”，將其設(shè)置為6個(gè)輸入通道，具體的設(shè)置方法如下圖：為了實(shí)時(shí)顯示輸出電壓的平均值，在“SimPowerSystems/Extra

16、 Library/ Mesurement”里面選取“Mean Value”，雙擊打開對話框，將其參數(shù)設(shè)置中的“Averaging Period(s)”設(shè)置為20e-6（求平均值時(shí)的這個(gè)周期設(shè)置可以使信號周期的整數(shù)倍），在“Simulink/sink”里面選取“Display”。如下圖： 在“SimpowerSytems/Power Electrical Sources”庫中選擇“Mosfet”和 “Diode”模塊，參數(shù)保留其缺省值。如下圖： 最終完成仿真模型如圖所示。仿真時(shí)間為0.1s，仿真算法為ode23tb。2、仿真結(jié)果分析在菜單欄“Simulation”里面的“Configuratio

17、n Parameters”里面設(shè)置仿真算法，仿真算法可以選取步長“Variable-step”下的ode23tb，其他設(shè)置可以保持缺省，其中將“Max-step”（最大步長）設(shè)置的比較?。ㄈ?e-6或者1e-5）能夠使輸出波形較為平滑。本例中“Max-step”選擇缺省值（auto）。如下圖上到下的波形依次為MOSFET們極觸發(fā)脈沖Ug、電感電壓Ul、電感電流il、輸出電壓Uo、MOSFET電流iT、二極管電流iD。電感電流連續(xù)，各個(gè)波形與理論波形規(guī)律一致。f=20kHzF=50kHz對比上面兩個(gè)圖可知，在其他條件不變的情況下，若開關(guān)頻率提高n倍，則電感值減少為1/n，電容值也減少到1/n，從

18、式中也可以得到這個(gè)結(jié)論。另外可以發(fā)現(xiàn)圖中，輸出電壓平均值沒有達(dá)到50 v，而只有48.91v左右，這是由于反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降使得輸出比理論值小，在仿真模型中，二極管的導(dǎo)通壓降為0.8V，導(dǎo)通時(shí)通態(tài)電阻為0.001，流經(jīng)電流也會造成一定的電壓降，因此輸出電壓比50V小，在前文分析穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作波形時(shí)，得到的結(jié)果是在假設(shè)了導(dǎo)通后開關(guān)管電壓為0V以后，當(dāng)開關(guān)器不是理想器件時(shí)，電壓和電流會有變化。在電感電流斷續(xù)的仿真中，導(dǎo)通占空比D=25%，若要使輸出電壓仍為50V，則需適當(dāng)減小導(dǎo)通占空比。電流斷續(xù)時(shí)占空比的確定比較難，因此在實(shí)驗(yàn)前可進(jìn)行仿真確定占空比的范圍，這樣可縮短開發(fā)周期。五、總結(jié)經(jīng)過幾天的電

19、力電子課程設(shè)計(jì)讓我們懂了很多，也得到了很多的收獲，受益匪淺。不僅僅是在知識方面得到了提升，在交流方面也有了進(jìn)一步提高。對課程設(shè)計(jì)課題很熟悉卻無從入手，課本上都有提到，但有些不大全面?？紤]了很久，才確定了設(shè)計(jì)課題，那就是“降壓斬波電路設(shè)計(jì)”這個(gè)課題時(shí)，在復(fù)習(xí)這章節(jié)的同時(shí)，也去了圖書館找了很多資料以便更廣地了解這部分的內(nèi)容，還有自己網(wǎng)上查資料。經(jīng)過幾天的努力，終于有了一個(gè)電路的基本框架，知道了一個(gè)完整的電路應(yīng)該包含幾部分，各部分之間的連接又應(yīng)該注意些什么問題等等。知道了大概的模塊之后，我對認(rèn)真地設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)問題后，可以再加于完善，再者就是查資料。也正因此，我對直流降壓斬波電路有了更深的認(rèn)識和了解，同時(shí)，也加強(qiáng)了自己的文件檢索能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。為了能夠是設(shè)計(jì)更加合理，對很多實(shí)際問題也進(jìn)行了