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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

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