降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)王惠民

1、 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 降壓直流斬波電路設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 王惠民 指導(dǎo)教師： 董恒 職稱/學(xué)位 碩士 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 自卓 1301 學(xué) 號(hào)： 1330940108 完成時(shí)間： 2015 年 12 月 湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 指導(dǎo)教師董恒學(xué)生姓名王惠民 課題名稱直流降壓斬波電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流降壓斬波電路，已知直流輸入電壓 200V，負(fù)載自擬，要求輸出電壓在 50100V 可調(diào)，其

2、它性能指標(biāo)自定。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡(jiǎn)述；2、主電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計(jì)；4、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5、利用Matlab軟件對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第 5 版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996教研室意見(jiàn) 教研室主任：（簽字）年 月 日摘摘 要要直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開(kāi)關(guān)電源、電力電子

3、變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。設(shè)計(jì)仿真通過(guò) matlab 軟件中的 Simulink 模塊對(duì)設(shè)計(jì)的降壓斬波電路進(jìn)行仿真和計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比，誤差分析得出仿真結(jié)果與理論值基本一致。關(guān)鍵詞：直流斬波；降壓斬波；Matlab 仿真目目 錄錄1 電路總體設(shè)計(jì)方案 1 1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù) 1 1.2 功能要求說(shuō)明 1 1.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理 12 電路的設(shè)計(jì) 3 2.1 整流濾波電路 3

4、2.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 43 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇 6 3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定 6 3.2 元件型號(hào)選擇 84 系統(tǒng)仿真及結(jié)論 9 4.1 仿真軟件的介紹 9 4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果10 4.3 仿真結(jié)果分析12心得體會(huì) 13參考文獻(xiàn) 14致 謝 15附錄 電子元器件表1601 電路總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說(shuō)明將 24V 直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為 0-24V。1.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖 1 所示。該電路使用一個(gè)全控型器件 V，圖中為 IGBT。為在 V 關(guān)斷

5、時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。圖 1 降壓斬波電路原理圖如圖 2 中 V 的柵極電壓 uGE波形所示，在 t=0 時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通，電源 E 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 uo=E，負(fù)載電流 io按指數(shù)上升。當(dāng) t=t1時(shí)刻，控制 V 關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流，負(fù)載電壓 uo近似為零負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常是串聯(lián)的電感 L 值較大。至一個(gè)周期 T 結(jié)束，在驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖 2 所示。負(fù)載電

6、壓平均值為1(1)EETEUonoffonontttto式中，ton為 V 處于通態(tài)的時(shí)間；toff為 V 處于斷態(tài)的時(shí)間；T 為開(kāi)關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。由式（1）可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值 Uo最大為 E，減小占空比，Uo隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也稱 buck 變換器。負(fù)載電流平均值為 (2)REUImoo圖 2 降壓斬波電路的工作波形22 電路的設(shè)計(jì)2.1 整流濾波電路本設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路. 對(duì)整流出來(lái)的電壓進(jìn)行傅里葉變換得24442cos2cos46.31535outinvvttt由整流電路出來(lái)的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故

7、需要進(jìn)行濾波。本電路采用 LC 低通濾波器（通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel 原理圖如圖 3 所示：圖 3 整流濾波電路原理圖輸入端接 220V、50Hz 的市電，進(jìn)過(guò)變壓器 T1（原線圈/副線圈為 1.1）后輸出200V、50Hz。當(dāng)同名端為正時(shí) D2、D5 導(dǎo)通，D3、D4 截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時(shí) D2、D5 截止，D3、D4 導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個(gè)電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個(gè)大電容可以濾除雜波

8、，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為 50V）。32.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓 uGS、負(fù)偏壓-uGS 和門極電阻 RG 的大小，對(duì) IGBT 的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力及 du/dt 電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS 的變化對(duì) IGBT 的開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和 duGS/dt 電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。IGBT 的驅(qū)動(dòng)是矩形波，所以選擇了由比較器 LM358 產(chǎn)生矩形波。 圖 4 LM358 的引腳圖LM3

9、58 簡(jiǎn)介：LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。描述：運(yùn)放類型:低功率放大器數(shù)目:2針腳數(shù):8工作溫度范圍:0C to -70C封裝類型:SOIC-3dB 帶寬增益乘積:1.1MHz變化斜率:0.6V/s4器件標(biāo)號(hào):358電源電壓 最大:32V電源電壓 最小:3V安裝器件:表面安裝圖 5 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。

10、53 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定3.1.1 IGBT 的參數(shù)設(shè)定圖 6 IGBT 的簡(jiǎn)化等效電路以及電氣圖形符號(hào)表 1 IGBT 模塊的術(shù)語(yǔ)及其說(shuō)明術(shù) 語(yǔ) 符 號(hào) 定義及其說(shuō)明（測(cè)定條件參改說(shuō)明）集電極、發(fā)射極間電壓 VCES 柵極、發(fā)射極間短路時(shí)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(shí)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(gè) IGBT 所允許的最大耗散功率結(jié)溫 Tj 元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈關(guān)斷電流 ICES 柵極、在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時(shí)的集電極電流圖 7 降壓斬波電

11、路電路圖6圖 8 降壓斬波總電路圖由圖 7 所示此次設(shè)計(jì)的電源電壓為 220V，當(dāng)二極管 VD 導(dǎo)通時(shí) V 的 C 和 E兩端承受的電壓為電源電壓，因此 UCE=220V。圖 9 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有下降，溫度每升高 1C，其值下降 5mV 左右。在+25C 時(shí)，UGE(th)的值一般為 2-6V。參考電力電子技術(shù)課本可得： (3) REmeeREREeeImTt)11()11(/min1(4)REmeeREREeeImTt)11()11(/max1式中，；。/TEEmm/TTtt11/若取為 10，則：RARI22/220max73.1.2 續(xù)流二極管

12、 VD 的參數(shù)設(shè)定VD 所承受的最大反向電壓是當(dāng) IGBT 導(dǎo)通是的電源電壓 100V。所承受的最大電流是當(dāng) IGBT 關(guān)斷瞬間電感 L 作用在 VD 上的電流，此電流為。AI22max3.1.3 電感的參數(shù)設(shè)定由于電感 L 要盡量大一些否則會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況，所以選擇 L 的值為1。mH3.2 元件型號(hào)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 的最大反向VVAA電壓為 220。V選擇 IGBT 的型號(hào)為 IRG4PC40U 其額定電壓為 600，額定電流為 40。VA選擇續(xù)

13、流二極管的型號(hào)為 HFA25TB60，其額定電壓為 600，額定電流為V25。A84 系統(tǒng)仿真及結(jié)論4.1 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(gè)動(dòng)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(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。 Sim

14、ulink 是 Matlab 中的一種可視化仿真工具，是一種基于 Matlab 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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)的仿真結(jié)果。 Simulink®是用

15、于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)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(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。. 構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink 與Matlab® 緊密集成，可以直接訪問(wèn) Matlab 大量的工具來(lái)進(jìn)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(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。94.2 仿真電路及其仿真結(jié)果4.2.1 仿真電路圖

16、圖 10 降壓斬波的Matlab電路的模型4.2.2 Matlab 仿真結(jié)果 設(shè)置仿真時(shí)間為 0.08s。仿真波形如圖 11,12,13,14,15 所示。圖 11 =0.2 時(shí)的仿真結(jié)果10圖 12 =0.4 時(shí)的仿真結(jié)果圖 13 =0.6 時(shí)的仿真結(jié)果圖 14 =0.8 時(shí)的仿真結(jié)果圖 15 =0.99 時(shí)的仿真結(jié)果114.3 仿真結(jié)果分析由公式可得：EETtEtttUoonoffonon當(dāng)時(shí)， =102 . 0OUV =0.4 時(shí)， =20。OUV =0.6 時(shí)， =30。OUV =0.8 時(shí)， =40。OUV =0.99 時(shí)，=49.5V。OU上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟

17、件所以幾乎沒(méi)有誤差。12心得體會(huì)回顧起此次電力電子課程設(shè)計(jì)，感慨頗多，在這段時(shí)間里可以說(shuō)是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西。從開(kāi)始得到老師給定課題時(shí)的一臉茫然到老師講解后內(nèi)容的初步了解再到自己通過(guò)查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計(jì)并寫出這份課程報(bào)告，心中充滿了成就感。通過(guò)課程設(shè)計(jì)還拓寬了知識(shí)面，學(xué)到了很多課本上沒(méi)有的知識(shí)，報(bào)告只有自己去做能加深對(duì)知識(shí)的理解，任何困難只有自己通過(guò)努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設(shè)計(jì)還讓我明白了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，只有通過(guò)實(shí)際的動(dòng)手才能加深對(duì)于理論知識(shí)的理解。在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)課本知識(shí)的理解

18、不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會(huì)努力地溫習(xí)以前的知識(shí)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間努力終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計(jì)，其中遇到了許多的問(wèn)題和困難但是也學(xué)到了很多的知識(shí)。遇到的問(wèn)題和困難：在計(jì)算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)。在選取元器件型號(hào)和參數(shù)時(shí)，缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)難以找到合適的元件。在用 Matlab 軟件仿真是遇到了許多操作上的問(wèn)題，致使仿真花費(fèi)的很多時(shí)間才達(dá)到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)解決了這些難題。學(xué)到的知識(shí)：通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我夯實(shí)了電力電子的基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)直流斬波有了更深層次的理解。對(duì) Matlab，proteus 軟件和電路原理圖的設(shè)計(jì)有了初步了解。在面對(duì)學(xué)習(xí)上的困難時(shí)一定要堅(jiān)持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知識(shí)。13參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù).5 版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19964 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.5 版.北