電力電子課程設(shè)計(jì)升壓斬波電路

1、信息工程學(xué)院電力電子學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目: 升壓斬波電路設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 0309412 學(xué) 號(hào)： 030841004 學(xué)生姓名： 王哲 指導(dǎo)教師： 鐘建偉 2012 年 05 月 09日信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名王哲學(xué) 號(hào)030841004成 績?cè)O(shè)計(jì)題目升壓斬波電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容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、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.直流波技術(shù)已被廣泛用于開關(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。全控型電力電子器件IGBT

2、 在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本次需要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓斬波電路，并符合下面的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)要求1、輸入直流電壓：Ud=40V2、開關(guān)頻率100KHz3、輸出電壓范圍80V-120V4、輸出電壓紋波：小于1%5、最大輸出電流：5A6、具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流：6A7、具有穩(wěn)壓功能8、效率不低于70%時(shí)間安排2012-5-92012-5-11參考資料1陳堅(jiān). 電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）北京：高等教育出版社，20042王兆安，劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)（第5版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.53林飛，杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國電力

3、出版社，20084 趙良炳現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：清華大學(xué)出版社，19955賈好來. EXB841對(duì)IGBT的過流保護(hù)研究. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1007-9432(1999)06-0610-046 紀(jì)相普,于諒.基于SIMULINK的BUCK型PFC裝置仿真 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 1007-2861(2001)05-0461-04目 錄目 錄2摘 要31 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案41.1設(shè)計(jì)任務(wù)41.2設(shè)計(jì)方案42 總體設(shè)計(jì)52.1 主電路設(shè)計(jì)5原理分析5參數(shù)計(jì)算62.2 保護(hù)電路73 SimPowerSystem仿真83.1仿真波形9占空比為50%9占空比為58.33%10占空比為66.67%

4、103.2 結(jié)果分析114 總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附錄：14仿真報(bào)告14元器件清單15摘 要直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter），直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，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，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。本設(shè)計(jì)為升壓斬波電路Boost Chopper。升壓斬波電路目前的典型應(yīng)用，一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，二是

5、用作單相功率因數(shù)校正（Power Factor Correction,PFC）電路，三是用于其它交直流電源中。關(guān)鍵詞：DC/DC Converter；直流斬波；升壓；Boost Chopper；典型應(yīng)用。1 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案1.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入直流電壓：Ud=40V、開關(guān)頻率100KHz、輸出電壓范圍80V-120V、輸出電壓紋波：小于1%、最大輸出電流：5A、具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流：6A、具有穩(wěn)壓功能、效率不低于70%的升壓斬波電路，以滿足課程設(shè)計(jì)的要求。1.2設(shè)計(jì)方案由于升壓斬波電路可以將任意可調(diào)的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的另一直流電壓，也可以將任一穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)范圍輸出，根

6、據(jù)題目要求，主電路采用Boost Chopper。通過合適的選取電阻和電感的大小并采用調(diào)節(jié)占空比的方法調(diào)節(jié)輸出電壓的大小；通過合適的選取電容的值達(dá)到紋波指標(biāo)，同時(shí)穩(wěn)定輸出的電壓。另外加上合適的過流保護(hù)電路防止器件的損壞。電路圖如下所示：圖1：直流升壓斬波電路圖2：過流保護(hù)電路 2 總體設(shè)計(jì)2.1 主電路設(shè)計(jì)2.1.1原理分析電路結(jié)構(gòu)和升壓原理：圖3：Boost變換器電路為了獲得高于電源電壓的直流輸出電壓，一個(gè)簡單而有效的辦法是在變換器開關(guān)管前端插入一個(gè)電感L，如圖3(a)所示。在開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，利用圖3(c)中電感線圈L在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（在電感電流減小時(shí)，為正值）與電源電壓串聯(lián)相

7、加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓的直流電壓。圖3(a)就是在這一思想啟發(fā)下，利用一個(gè)全控型開關(guān)管T和一個(gè)續(xù)流二極管加上電感、電容構(gòu)成的直流直流升壓變換器BoostDC/DC 變換器。BoostDC/DC變換器是輸出直流電壓平均值高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，圖3(a)中，Boost變換器中電感L在輸入側(cè)，稱為升壓電感。開關(guān)管T仍為PWM控制方式，和Buck變換器一樣，Boost變換器也有電感電流連續(xù)和斷流兩種工作方式，圖4(e)和(f)給出了這兩種工作方式下的主要波形圖。圖3(b)、(c)、(d)為Boost變換器在不同開關(guān)狀態(tài)時(shí)的等效電路。當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)，Boost變換器存在兩

8、種開關(guān)狀態(tài)，如圖3(b)和(c)所示；而當(dāng)電感電流斷流時(shí)，Boost變換器還有第三種開關(guān)狀態(tài)，如圖3(d)所示。圖4 Boost變換器主要波形2.2.2參數(shù)計(jì)算這里取=0.5A，=5A.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要將電感電流工作在連續(xù)狀態(tài)，由式得到。當(dāng)=80V時(shí)，D=0.5；當(dāng)=120V時(shí)，D=0.667。即占空比的變化范圍是0.50.667。臨界負(fù)載電流 ：D=1/3時(shí)，有最大值。這里取最接近的D=0.5。令最小負(fù)載電流大于臨界負(fù)載電流，則：，代入題目要求的值，取=120V，可算出.這里可取大一點(diǎn)的值，取1.2倍大小，令。驗(yàn)算：當(dāng)，D=0.5時(shí)，算出臨界負(fù)載電流為：=0.42A<=0.5A。確保

9、了電感電流連續(xù)，符合設(shè)計(jì)方案初衷。可取，由輸出紋波要求，可進(jìn)一步計(jì)算出.為留一定裕量，取C=。驗(yàn)算：當(dāng)C=，D=0.5時(shí)，時(shí)：，滿足設(shè)計(jì)要求。2.2 保護(hù)電路電力電子變換和控制系統(tǒng)運(yùn)行不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過電流在過載和短路兩種情況下發(fā)生。圖5給出電力電子變換器系統(tǒng)中常采用的過電流保護(hù)措施及各種保護(hù)的配置位置。通常電力電子變換器系統(tǒng)均同時(shí)采用幾種過流保護(hù)措施，以確保保護(hù)的可靠性和合理性。所選擇的幾種過流保護(hù)措施應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合，各盡所能。通常選用電子保護(hù)作為延時(shí)最短、但動(dòng)作閾值最高的一級(jí)保護(hù)，當(dāng)電流傳感器檢測到過電流值超過動(dòng)作電流整定值時(shí)，電子保護(hù)電路輸

10、出過流信號(hào)，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷變換器中的開關(guān)器件，切斷過流故障。圖5 過流保護(hù)措施及保護(hù)配置3 SimPowerSystem仿真Boost變換器仿真圖如下（使用Matlab Simulink）： 說明：鑒于加入過流保護(hù)電路會(huì)較為復(fù)雜，這里沒有繪制過流保護(hù)電路，僅對(duì)主電路部分進(jìn)行仿真且不會(huì)影響到仿真結(jié)果。圖6：占空比為50%時(shí)，輸出電壓最小值，平均為79.86V圖7：占空比為66.7%時(shí)，輸出電壓最大值，平均為119.6V3.1仿真波形參數(shù)配置：C=，；=40V，；占空比調(diào)節(jié)范圍：50%66.67%。電感電流工作在連續(xù)模式，通過調(diào)節(jié)占空比可以使的平均值在79.86V119.6V之間變化，且平均值

11、為4.98A。最大值分別可達(dá)到80V、120V和5A。示波器分別測量的是：采樣信號(hào)、電感的電壓電流、負(fù)載的電壓電流以及二極管和MOSFET兩端的電流。下面為具體仿真波形，已調(diào)節(jié)至觀察狀態(tài)。仿真時(shí)間為1s, 算法是ode23t。占空比為50%占空比為58.33%占空比為66.67%3.2 結(jié)果分析從以上不同占空比下的仿真波形圖可以看出，占空比的調(diào)解與輸出電壓的大小基本完全成正比，有很好的線性度。由于選擇的電容和電感的選擇均留有裕量，使得輸出電壓的波形穩(wěn)定，觀察的紋波魚計(jì)算值一致，不到1%。輸出電流的最大值剛好是5A，最小的為3.15A，平均值值在這之間隨著占空比的增加而增大。在占空比為最大值0.

12、667時(shí)，電感電流以及MOSFET和DIODE的峰值電流均達(dá)到了15A。由于是在理想的環(huán)境中仿真，輸入的能量等于輸出的能量，見證了能量守恒。電路的最小輸出功率為266W，最大輸出功率為600W，輸入的仿真計(jì)算值為264W和600W，理想仿真環(huán)境下得到的效率基本為100%。綜上所述，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求。加上保護(hù)電路后即可圓滿完成設(shè)計(jì)。4 總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟練了MATLAB SIMULINK工具的使用，對(duì)于電力方面的模塊SimPowerSystem有了初步的了解和感性的認(rèn)識(shí)。在贊嘆MATLAB功能強(qiáng)大的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)自己的渺小，工具箱里的東西有很多是不會(huì)使用的。對(duì)WORD軟件和公式編輯器也

13、更加的熟悉，通過嚴(yán)格的格式要求，體會(huì)到了做設(shè)計(jì)的辛苦，更多的時(shí)間是花費(fèi)在了整理文檔上。從開始拿到題目的不知所措，到后來一步步翻閱書籍、查找資料、研讀相關(guān)知識(shí)，到最后做出來，每一個(gè)過程都付出了辛勞和汗水，充滿了驚喜和冒險(xiǎn)。剛開始由于思路加上計(jì)算上的錯(cuò)誤，導(dǎo)致做了一天的無用功，讓我學(xué)會(huì)了每一步設(shè)計(jì)都需謹(jǐn)慎和認(rèn)真，碰到問題學(xué)會(huì)解決問題的方法。由于之前都沒做過這方面的東西，在電路分析方面也沒多少經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)電力電子是門很有用的學(xué)科，尤其在電力系統(tǒng)中擔(dān)任關(guān)鍵角色。分析方法和分析工具在很多領(lǐng)域都是相通的。在以后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)注意這方面與其它學(xué)科之間的聯(lián)系的加強(qiáng)，提升思維上的層次、彌補(bǔ)自身的不足。參考文獻(xiàn)

14、1陳堅(jiān). 電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）北京：高等教育出版社，20042王兆安，劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)（第5版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.53林飛，杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國電力出版社，20084 趙良炳現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：清華大學(xué)出版社，19955賈好來. EXB841對(duì)IGBT的過流保護(hù)研究. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1007-9432(1999)06-0610-046 紀(jì)相普,于諒.基于SIMULINK的BUCK型PFC裝置仿真 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 1007-2861(2001)05-0461-04附錄：仿真報(bào)告SimPowerSyst

15、ems Report.generated by powergui,11-May-2007 17:46:04 Model : C:Documents and SettingsAdministrator桌面電力電子boost.mdl. 1 Steady-State Voltages and currents: States at 0 Hz : 6.0233e-015 V -> 'Uc_C ' 4.0000e-004 A -> 'Il_L ' 4.0000e+001 V -> 'Uc_snubber: Diode' Measureme

16、nts at 0 Hz : Sources at 0 Hz : 4.0000e+001 V -> U_DC Voltage Source Nonlinear elements at 0 Hz : 4.0000e+001 V -> U_Mosfet/Ideal Switch 4.0000e+001 V -> U_Diode -4.0000e+001 V -> U_Mosfet/Diode NONLINEAR ELEMENTS (system inputs): 0.0000e+000 A -> I_Mosfet/Ideal Switch 0.0000e+000 A -

17、> I_Diode 0.0000e+000 A -> I_Mosfet/Diode 2 Initial values of States Variables: 1 'Uc' C = 6.0233e-015 V 2 'Il' L = 4.0000e-004 A 3 'Uc' snubber: Diode = 4.0000e+001 V元器件清單Unit specified : OMU rlc matrix: Node_1 Node_2 Type R(ohms) L(mH) C(uF)/U(V) Branch# Block name-4

18、3 S 0 0 32 1 C 1 2 S 0 0.18 0 2 L 4 3 S 24 0 0 3 R 2 3 S 1e+005 0 0 4 snubber: Mosfet/Ideal Switch2 4 S 500 0 0.25 5 snubber: Diode Number of nodes: 4Number of branches: 5Number of transformers: 0Number of mutuals (inductive coupling): 0Number of Voltage sources: 1Number of current sources: 3Number of switches: 3 Source matrix: Node1 Node2 U/I Mag. Phase Frequency Type Block name (0/1) (V/A) (degrees) (Hz)-2 3 1 0 0 0 1 Mosfet/Ideal Switch2 4 1 0 0 0 3 Diode 3 2 1 0 0 0 3 Mosfet/Diode 1 3 0 40 0 0 21 DC Voltage Source Switch matrix: