電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力學(xué)院建筑電氣智能化二零一三年十二月Buck變換器研究引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多。伴隨著人們對(duì)開關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓，大電流和高效率的開關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。BUCK降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。一.課程設(shè)計(jì)的目的與要求1進(jìn)一步熟悉和掌握電力電子原器件的特性；2進(jìn)一步熟悉和掌握電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理；3掌握電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技術(shù)，掌握有關(guān)電路參數(shù)的計(jì)算；4培養(yǎng)對(duì)電力電子電路的性能分析的能力；5培養(yǎng)撰寫研究設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。通過(guò)對(duì)一個(gè)電力電子電路的初步設(shè)計(jì)，鞏固已學(xué)的電力電子技術(shù)課程的理論知識(shí)，提高綜合應(yīng)用能力，為今后從事電力電子裝置的設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。二.仿真軟件的使用MATLABSimulink是TheMathWorks公司的產(chǎn)品，可在MATLAB環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真的模塊庫(kù)，其功能非常強(qiáng)大，可用于電力電子系統(tǒng)的仿真，模塊庫(kù)中提供了大量的電力電子模型。其具體使用方法和相關(guān)電力電子模型的建立、仿真等請(qǐng)參閱課程設(shè)計(jì)教材。三．Buck變換器工作原理BUCK電路圖降壓斬波電路（BuckChopper）的原理圖如上所示。該電路使用一個(gè)全控器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需要設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。在圖5中，為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。若負(fù)載中無(wú)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需令Em=0。電路的工作波形如下所示：電流連續(xù)時(shí)波形圖由圖6中的V的柵射電壓波形可知，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=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=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，通常串接L值很大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為：式中，為V處于通態(tài)的時(shí)間；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。由此式知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。負(fù)載電流的平均值為，若負(fù)載中的L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時(shí)刻，如圖7所示，負(fù)載電流已衰減至零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負(fù)載電壓平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制。和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。本次設(shè)計(jì)電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。電流斷續(xù)時(shí)波形以上的電壓電流關(guān)系還可以從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得。由于L為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為不變。電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為。從負(fù)載看，在整個(gè)周期T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為。一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即：則：與上述結(jié)論一致。在上述情況中，均假設(shè)L值為無(wú)窮大，且負(fù)載電流平直。在這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為，則有：其值小于等于負(fù)載電流，由上式得即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。如圖所示為Buck電路原理圖及其工作模式。Buck變換器工作模態(tài)分析[t0~t1][t1~t2][t0~t1]的主要工作波形[t1~t2]的主要工作波形在分析Buck變換器之前，做出以下假設(shè)：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個(gè)開關(guān)周期中，變換器有2種開關(guān)模態(tài)，其等效電路如圖所示，各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下：（1）開關(guān)模態(tài)0[t0~t1][t0~t1]對(duì)應(yīng)圖在t0時(shí)刻，開關(guān)管Q恰好開通，二極管D截止。此時(shí)：（式1）電感中的電流線性上升，式1可寫成：（式2）（2）開關(guān)模態(tài)1[t1~t2][t1~t2]對(duì)應(yīng)圖在t1時(shí)刻，開關(guān)管Q恰好關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通。此時(shí)：（式3）電感中的電流線性下降，式3可寫成：（式4）式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，，聯(lián)解式2與式4可得：（式5）輸出電流平均值：五．電路參數(shù)討論主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定過(guò)程如下。1）對(duì)于電源，因?yàn)轭}目要求輸入電壓為20-30V，且連續(xù)可調(diào)。其直流穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計(jì)已在前面完成。所以該直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源。2）對(duì)于電阻，因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為15V時(shí)，輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負(fù)載電阻值為，可得到電路電阻應(yīng)該在。3)對(duì)于IGBT的選擇，由圖6易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為30V；而當(dāng)=1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流Ic>1A，反向擊穿電壓Bvceo>30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個(gè)要求。4)對(duì)于二極管的選擇，當(dāng)=1時(shí)，其承受最大反壓30V；而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇額定電壓大于30V，額定電流大于1A的二極管。5)主電路的設(shè)計(jì)除了要選擇IGBT和二極管，還需要確定電感的參數(shù)，但電感參數(shù)的計(jì)算是非常復(fù)雜的，在此對(duì)電感不予計(jì)算，認(rèn)定電感值L很大。六．Buck變換器建模與仿真1)由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(BuckChop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置(1)直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源電壓為100V電阻、電容參數(shù)設(shè)置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脈沖發(fā)生器模塊的參數(shù)設(shè)置：Pulse的振幅設(shè)置為1V，周期為0.001s脈沖寬度分別為20%，50%和80%占空比50%下電感L為10^-5H，0.001H，10^4H(2)帶有反向電動(dòng)勢(shì)的直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源電壓為100V,反向電動(dòng)勢(shì)為10V，占空比50%電阻、電容參數(shù)設(shè)置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脈沖發(fā)生器模塊的參數(shù)設(shè)置：Pulse的振幅設(shè)置為1V，周期為0.001s2）運(yùn)行仿真20%占空比50%占空比80%占空比占空比50%電感10^-4H占空比50%電感1H占空比50%電感10^4H帶有反向電動(dòng)勢(shì)，占空比80%，反向電動(dòng)勢(shì)為10V帶有反向電動(dòng)勢(shì)，占空比50%，反向電動(dòng)勢(shì)為25V帶有反向電動(dòng)勢(shì)，占空比50%，反向電動(dòng)勢(shì)為40V七．Buck變換器仿真結(jié)論得以驗(yàn)證當(dāng)L值很小的時(shí)候，流過(guò)負(fù)載的電流是斷續(xù)的當(dāng)L值較小的時(shí)候，流過(guò)負(fù)載的電流是三角波型的當(dāng)L值很大的時(shí)候，流過(guò)負(fù)載的電流是連續(xù)的八．心得與體會(huì)通過(guò)緊張的一周積極準(zhǔn)備和不斷的嘗試，翻閱相關(guān)資料，以及在網(wǎng)上不斷的查找，終于完成了本次電力電子課程設(shè)計(jì)“BUCK變換器研究”的設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)中，遇到了不少困難與問(wèn)題，但最終在自己的努力和同學(xué)的幫助下都一一化解。可以說(shuō)本次的課程設(shè)計(jì)，對(duì)自己來(lái)說(shuō)，不僅是一次知識(shí)上的擴(kuò)展，更是意志與信心上的一種鍛煉。這次的題目不僅僅要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的BUCK電路，還需要你去認(rèn)真的去分析原理，了解各個(gè)器件所起的作用。在經(jīng)過(guò)翻閱資料和上網(wǎng)的查看學(xué)習(xí)，終于對(duì)各個(gè)部分都有了一定的了解之后，我開始嘗試去啟動(dòng)matlab，畫出直流降壓斬波變換電路模型圖。在畫圖的過(guò)程中，免不了會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但最終在同學(xué)和老師的幫助下，完成了模型圖，并獲得了相應(yīng)的波形。雖然我沒能徹底掌握這些原理，卻讓我對(duì)這些內(nèi)容有了更深的了解。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了BUCK變換器簡(jiǎn)單的運(yùn)用，對(duì)有關(guān)電力電子的知識(shí)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與了解，拓展了相關(guān)軟件，也讓我對(duì)這門課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們努力嘗試，不輕言放棄的態(tài)度。對(duì)自己的綜合能力的提高起到很大的助力，相信這次經(jīng)歷對(duì)自己在今后的課程設(shè)計(jì)中有很大的幫助。九．課程設(shè)計(jì)參考書[1]電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真陳建業(yè)編著北京清華大學(xué)出版社2003[2]電路和系統(tǒng)的仿真實(shí)踐張占松編著北京科技出版