BUCK DC-DC電路的設(shè)計(jì)

1、 電氣與電子信息工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院 電力電子課程設(shè)計(jì)電力電子課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目： 降壓斬波電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化本科 1 班 學(xué)學(xué)號(hào)：號(hào)： 200840220116 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011/5/32011/5/13 設(shè)計(jì)地點(diǎn)：設(shè)計(jì)地點(diǎn)： K2 電力電子實(shí)驗(yàn)室 2 電電 力力 電電 子子 課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表姓 名朱波學(xué) 號(hào)200840220116課程設(shè)計(jì)題目： 課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：1、 電壓型逆變電路有什么特點(diǎn)？（1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng) （2）輸出電壓為矩形波，輸出電流

2、因負(fù)載阻抗不同而不同 （3）阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管2、在選擇 IGBT 時(shí)應(yīng)注意什么？ 在選擇 IGBT 模塊時(shí)，應(yīng)考慮器件耐壓電流 2 個(gè)參數(shù)確定。在器件耐壓電流參數(shù)確定時(shí)，首先根據(jù) IGBT 模塊工作在交流電網(wǎng)通過單相或三相整流后的直流母線電壓下，通常模塊工作電壓（600V、1200V、1700V 分為 3 個(gè)電壓等級(jí)）均對(duì)應(yīng)于常用電網(wǎng)電壓等級(jí)?？紤]到因過載、電壓波動(dòng)、開關(guān)過程引起的電壓尖峰等因素，通常電力電子設(shè)備選擇 IGBT 器件耐壓都是直流母線的 1 倍。成績?cè)u(píng)定依據(jù)：課程設(shè)計(jì)考勤情況（20）：課程設(shè)計(jì)答辯情況（30）：

3、完成設(shè)計(jì)任務(wù)及報(bào)告規(guī)范性（50）：最終評(píng)定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字： 2011 年 5 月 20 日3電力電子課程設(shè)計(jì)電力電子課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 工作部門：工作部門：電氣學(xué)院電氣自動(dòng)化教研室電氣學(xué)院電氣自動(dòng)化教研室 一、課程設(shè)計(jì)題目：一、課程設(shè)計(jì)題目： 降壓斬波電路設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 1. 根據(jù)具體設(shè)計(jì)課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件，能獨(dú)立而正確地進(jìn)行方案論證和電路設(shè)計(jì)，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整； 2. 學(xué)會(huì)查閱有關(guān)參考

4、資料和手冊(cè)，并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)； 3. 編寫設(shè)計(jì)說明書，參考畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告（5000 字以上） 。注：詳細(xì)要求和技術(shù)指標(biāo)見附錄。三、進(jìn)度安排三、進(jìn)度安排1時(shí)間安排序 號(hào)內(nèi) 容學(xué)時(shí)安排（天）1方案論證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)12主電路設(shè)計(jì)13保護(hù)電路設(shè)計(jì)14驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)15設(shè)計(jì)答辯1合 計(jì)5設(shè)計(jì)指導(dǎo)答辯地點(diǎn)：電力電子室2執(zhí)行要求電力電子課程設(shè)計(jì)共9個(gè)選題，每組不得超過6人，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)（包括計(jì)算和器件選型） 。嚴(yán)禁抄襲，嚴(yán)禁兩篇設(shè)計(jì)報(bào)告基本相同，甚至完全一樣。四、基本要求四、基本要求4（1）參考畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求的格式書寫，所有

5、的內(nèi)容一律打??；（2）報(bào)告內(nèi)容包括設(shè)計(jì)過程、電路元件參數(shù)的計(jì)算、系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析；（3）要有完整的主電路原理圖和控制電路原理圖；（4）列出主電路所用元器件的明細(xì)表。（5）參考文獻(xiàn)五、課程設(shè)計(jì)考核辦法與成績?cè)u(píng)定五、課程設(shè)計(jì)考核辦法與成績?cè)u(píng)定根據(jù)過程、報(bào)告、答辯等確定設(shè)計(jì)成績，成績分優(yōu)、良、中、及格、不及格五等。評(píng)定項(xiàng)目基本內(nèi)涵分值設(shè)計(jì)過程考勤、自行設(shè)計(jì)、按進(jìn)度完成任務(wù)等情況20 分設(shè)計(jì)報(bào)告完成設(shè)計(jì)任務(wù)、報(bào)告規(guī)范性等情況50 分答 辯回答問題情況30 分90100 分：優(yōu)；8089 分：良；7079 分：中；6069 分，及格；60 分以下：不及格六、課程設(shè)計(jì)參考資料六、課程設(shè)計(jì)參考資料1 王兆

6、安，黃俊.電力電子技術(shù)（第四版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 2 王文郁.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20013 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20014 石玉、栗書賢、王文郁.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19995 趙同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010指導(dǎo)教師：南光群、黃松柏2011 年 10 月 8 日 教研室主任簽名： 2011 年 10 月 9 日5附錄：詳細(xì)要求和技術(shù)指標(biāo)附錄：詳細(xì)要求和技術(shù)指標(biāo) 降壓斬波電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求：1、輸入直流電壓：Ud=100V；2、輸

7、出功率：150W；3、開關(guān)頻率：10kHz；4、占空比：0.10.9；5、電阻性負(fù)載；6、輸出電壓脈率：小于 10%。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、主電路參數(shù)的計(jì)算；2、全控型器件電流、電壓額定的選擇；3、電力二極管電流、電壓額定的選擇；4、電抗器電感值的計(jì)算；5、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；6、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；7、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖；8、列出主電路所用元器件的明細(xì)表。摘摘 要要直流-直流變流電路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，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它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，一般是指直接將直流電變

8、為另一直流電，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(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：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，利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，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?。關(guān)鍵字：直流斬波，降壓斬波2目目 錄錄第 1 章 電路總體設(shè)計(jì)方案 81.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù) 81.2 功

9、能要求說明 81.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理 8第 2 章 電路的設(shè)計(jì)102.1 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)10第 3 章 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇123.1 各元件的參數(shù)設(shè)定 123.2 元件型號(hào)選擇 14第 4 章 系統(tǒng)仿真及結(jié)論164.1 仿真軟件的介紹 164.2 仿真電路及其仿真結(jié)果164.3 仿真結(jié)果分析 17第 5 章 心得體會(huì)19參考文獻(xiàn) 19致 謝 20附錄 電子元器件表203第第 1 章章 電路總體設(shè)計(jì)方案電路總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說明功能要求說明將 24V 直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為 0

10、-24V。1.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理設(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 1.1 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。圖圖 1.1 降壓斬波電路原理圖降壓斬波電路原理圖如圖 1.2 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

11、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 1.2 所示。負(fù)載電壓平均值為 式 1.1EETEUonoffonontttto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 為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。4由式 1.1 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REUImoo 圖圖 1.2 降壓斬波電路的工作波形降壓斬波電路的工作波形5

12、第第 2 章章 電路的設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)2.1 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT 的驅(qū)動(dòng)是矩形波，所以我選擇了由比較器 LM358 產(chǎn)生矩形波。圖圖 2.1 LM358 的引腳圖的引腳圖LM358 簡介：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

13、.1MHz變化斜率:0.6V/s器件標(biāo)號(hào):358電源電壓 最大:32V6電源電壓 最小:3V安裝器件:表面安裝圖圖 2.2 比較器產(chǎn)生方波電路圖比較器產(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。7 第第 3 章章 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定各元件的參數(shù)設(shè)定1. IGBT 的參數(shù)設(shè)定圖圖 3.1 IGBT 的簡化等效電路以及電氣圖形符號(hào)的簡化等效電路以及電氣圖形符號(hào)術(shù)語符號(hào)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)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VG

14、ES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、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時(shí)的集電極電流。表表 3.1 IGBT 模塊的術(shù)語及其說明模塊的術(shù)語及其說明圖圖 3.2 降壓斬波電路電路圖降壓斬波電路電路圖8圖圖 3.3 降壓斬波總電路圖降壓斬波總電路圖由圖 3.2 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。圖圖 3.4 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)

15、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： 式式 3.1REmeeREREeeImTt)11()11(/min1 式式 3.2REmeeREREeeImTt)11()11(/max1式中，；。/TEEmm/TTtt11/若取為 10，則：R9ARI22/220max2. 續(xù)流二極管 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

16、. 電感的參數(shù)設(shè)定 由上面所選的電阻 20 歐姆，根據(jù)歐姆定律： 當(dāng) Uo=80V 時(shí)，Iomax=4A;當(dāng) Uo=50V 時(shí)，Iomin=2.5A;根據(jù)電感電流連續(xù)時(shí)電感量臨界值條件：L=Uo*（Ud-Uo）/(2UdIo)為了保證負(fù)載最小電流電路能夠連續(xù)，取 Io=2.5A 來算，可得L=0.125mH，所以只要所取電感 L0.125mH ，取 L=1mH。 4.開關(guān)頻率 f=40kHz 5.電容 設(shè)計(jì)要求輸出電壓紋波小于 1%，由紋波電壓公式： UdLCfUoUdUoUc28/ )(*可得 LC = 0.195 uH*F 取 C=0.47mF 3.2 元件型號(hào)選擇元件型號(hào)選擇考慮其安全裕

17、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VVAA向電壓為 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)流二極管的型號(hào)為 HFA25TB60，其而定電壓為 600，額定電流為 25。VA o0IUR 10 第第 4 章章 系統(tǒng)仿真及結(jié)論系統(tǒng)仿真及結(jié)論4.1 仿真軟件的介紹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)

18、境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(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。 Simulink 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

19、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)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Si

20、mulink 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 MATLAB 大量的工具來進(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)和測試數(shù)據(jù)的定義。4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果仿真電路及其仿真結(jié)果1.仿真電路圖11圖圖 4.1 降壓斬波的降壓斬波的 MATLAB 電路的模型電路的模型2MATLAB 的.仿真結(jié)果如下：圖圖 4.24.2 =0.2=0.2 時(shí)的仿真結(jié)果時(shí)的仿真結(jié)果12圖圖 4.34.3 =0.4=0.4 時(shí)的仿真結(jié)果時(shí)的仿真結(jié)果圖圖 4.44.4 =0

21、.6=0.6 時(shí)的仿真結(jié)果時(shí)的仿真結(jié)果圖圖 4.54.5 =0.8=0.8 時(shí)的仿真結(jié)果時(shí)的仿真結(jié)果圖圖 4.64.6 =0.99=0.99 時(shí)的仿真結(jié)果時(shí)的仿真結(jié)果4.3 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析由公式可得：EETtEtttUoonoffonon當(dāng)時(shí)，=442 . 0OUV=0.4 時(shí)，=88。OUV13=0.6 時(shí)，=132。OUV=0.8 時(shí)，=176。OUV=0.99 時(shí)，=217.8。OU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。14第第 5 章章 心得體會(huì)心得體會(huì)經(jīng)過近一個(gè)星期的努力我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題和困難但是也學(xué)到了很多的知識(shí)。遇到的問題和困難：(1) 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)。(2) 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。(3) 在用 MATLAB 軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，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不斷的學(xué)習(xí)解決了這些難題。學(xué)到的知識(shí)：(1) 通過這次課程設(shè)計(jì)我夯實(shí)了電力電子的基礎(chǔ)知識(shí)。(2) 對(duì)直流斬波有了更深層次的理解。(3) 對(duì) MATLAB 軟件和電路原理圖的設(shè)計(jì)有