降压直流斩波电路设计 课程设计.doc

电力电子技术电力电子技术课程设计说明书课程设计说明书 降压直流斩波电路设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 董恒 职称/学位 硕士 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1202 学 号： 1230140227 完成时间： 2015 年 6 月 湖南工学院电力电子课程设计课题任务书湖南工学院电力电子课程设计课题任务书 学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业 指导教师董恒学生姓名龙中辉 课题名称 降压直流斩波电路设计 内 容 及 任 务 一、设计任务 设计一个降压直流斩波电路，已知交流电源：单相 220v，前级整流输出电压限 制在 50v 以内，斩波输出电流最大值 2a，纯电阻负载，斩波输出直流电压在 1040v 可调。 二、设计内容 1、关于本课程学习情况简述； 2、主电路的设计、原理分析和器件的选择； 3、控制电路的设计； 4、保护电路的设计； 5、利用matlab软件对自己的设计进行仿真。 主 要 参 考 资 料 1 王兆安,王俊编.电力电子技术(第 5 版).北京:机械工业出版社,2012 2 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991 3 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996 教 研 室 意 见 教研室主任：（签字） 年 月 日 摘摘 要要 直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流 电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也 称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一 般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间 接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用 变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交- 直电路。 直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升 压斩波电路，升降压斩波电路,cuk 斩波电路，sepic 斩波电路和 zeta 斩波电路， 利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥 式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重 斩波电路。 关键词：直流斩波；降压斩波；matlab 仿真 目目 录录 1 电路总体设计方案 1 1.1 设计课题任务 1 1.2 功能要求说明 1 1.3 设计总体方案和设计原理 1 2 电路的设计 3 2.1 整流滤波电路 3 2.2 igbt 驱动电路的设计 4 3 电路各元件的参数设定及元件型号选择 6 3.1 各元件的参数设定 6 3.2 元件型号选择 8 4 系统仿真及结论 9 4.1 仿真软件的介绍 9 4.2 仿真电路及其仿真结果10 4.3 仿真结果分析12 总结 13 参考文献 14 致 谢 15 附录 电子元器件表16 0 1 电路总体设计方案 1.1 设计课题任务 设计一个直流降压斩波电路。 1.2 功能要求说明 将 24v 直流电压降压输出并且平均电压可调，范围为 0-24v。 1.3 设计总体方案和设计原理 降压斩波电路的原理图以及工作波形如图 1 所示。该电路使用一个全控型 器件 v，图中为 igbt。为在 v 关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流 二极管 vd。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带 蓄电池负载等。 图 1 降压斩波电路原理图 如图 2 中 v 的栅极电压 uge波形所示，在 t=0 时刻驱动 v 导通，电源 e 向负 载供电，负载电压 uo=e，负载电流 io按指数上升。 当 t=t1时刻，控制 v 关断，负载电流经二极管 vd 续流，负载电压 uo近似 为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的 电感 l 值较大。 至一个周期 t 结束，在驱动 v 导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳 态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图 2 所示。 负载电压平均值为 1 (1)ee t eu on offon on t tt t o 式中，ton为 v 处于通态的时间；toff为 v 处于断态的时间；t 为开关周期； 为导通占空比。 由式（1）可知，输出到负载的电压平均值 uo最大为 e，减小占空比，uo 随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称 buck 变换器。 负载电流平均值为 (2) r eu i mo o 图 2 降压斩波电路的工作波形 2 2 电路的设计 2.1 整流滤波电路 本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流 出来的电压进行傅里叶变换得 2444 2cos2cos46. 31535 outin vvttt 由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。 本电路采用 lc 低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一 个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。protel 原理图如图 3 所示： 图 3 整流滤波电路原理图 输入端接 220v、50hz 的市电，进过变压器 t1（原线圈/副线圈为 1.1）后输出 200v、50hz。当同名端为正时 d2、d5 导通，d3、d4 截止，电压上正下负。当 同名端为负时 d2、d5 截止，d3、d4 导通，电压同样是上正下负，从而实现整 流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高 直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个 大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路， 可以得到比较理想的直流电压（幅值为 50v）。 3 2.2 igbt 驱动电路的设计 igbt 的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器 lm358 产生矩形波。 图 4 lm358 的引脚图 lm358 简介：lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算 放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式， 在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大 器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 描述：运放类型:低功率 放大器数目:2 针脚数:8 工作温度范围:0c to -70c 封装类型:soic -3db 带宽增益乘积:1.1mhz 变化斜率:0.6v/s 器件标号:358 电源电压 最大:32v 电源电压 最小:3v 安装器件:表面安装 4 图 5 比较器产生方波电路图 其中 2、3 口是输入口 4、6 接直流电源电压 1 为输出口。 5 3 电路各元件的参数设定及元件型号选择 3.1 各元件的参数设定 3.1.1 igbt 的参数设定 图 6 igbt 的简化等效电路以及电气图形符号 表 1 igbt 模块的术语及其说明 术 语 符 号 定义及其说明（测定条件参改说明） 集电极、发射极间电压 vces 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压 栅极发极间电压 vges 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压 集电极电流 ic 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率 pc 单个 igbt 所允许的最大耗散功率 结温 tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ices 栅极、在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流 图 7 降压斩波电路电路图 6 图 8 降压斩波总电路图 由图 7 所示此次设计的电源电压为 220v，当二极管 vd 导通时 v 的 c 和 e 两端承受的电压为电源电压，因此 uce=220v。 图 9 igbt 的转移特性和输出特性 uge(th)随温度的升高略有下降，温度每升高 1c，其值下降 5mv 左右。 在+25c 时，uge(th)的值一般为 2-6v。 参考电力电子技术课本可得： (3) r e m e e r e r e e e i m t t ) 1 1 () 1 1 ( / / min 1 (4) r e m e e r e r e e e i m t t ) 1 1 () 1 1 ( / / max 1 式中，；。/teem m/ t t t t 1 1/ 若取为 10，则：r ari22/220 max 7 3.1.2 续流二极管 vd 的参数设定 vd 所承受的最大反向电压是当 igbt 导通是的电源电压 100v。所承受的最 大电流是当 igbt 关断瞬间电感 l 作用在 vd 上的电流，此电流为。ai22 max 3.1.3 电感的参数设定 由于电感 l 要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择 l 的值为 1。mh 3.2 元件型号选择 考虑其安全裕度则 igbt 的额定电压可以为 2-3 倍峰值电压，所以额定电压 可为 440-660.额定电流 33-44，二极管 vd 与其类似，vd 的最大反向vvaa 电压为 220。v 选择 igbt 的型号为 irg4pc40u 其额定电压为 600，额定电流为 40。va 选择续流二极管的型号为 hfa25tb60，其额定电压为 600，额定电流为v 25。a 8 4 系统仿真及结论 4.1 仿真软件的介绍 此次仿真使用的是 matlab 软件。 simulink 是 matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真 和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单 直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink 具有适应面广、结构和流 程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有 大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 simulink。 simulink 是 matlab 中的一种可视化仿真工具，是一种基于 matlab 的框 图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于 线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支 持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态 系统模型，simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个 创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了 的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的 设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处 理系统，simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、 仿真、执行和测试。. 构架在 simulink 基础之上的其他产品扩展了 simulink 多领域建模功能， 也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。simulink 与 matlab 紧密集成，可以直接访问 matlab 大量的工具来进行算法研发、仿 真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试 数据的定义。 9 4.2 仿真电路及其仿真结果 4.2.1 仿真电路图 图 10 降压斩波的matlab电路的模型 4.2.2 matlab 仿真结果 设置仿真时间为 0.08s。仿真波形如图 11,12,13,14,15 所示。 图 11 =0.2 时的仿真结果 10 图 12 =0.4 时的仿真结果 图 13 =0.6 时的仿真结果 图 14 =0.8 时的仿真结果 图 15 =0.99 时的仿真结果 11 4.3 仿真结果分析 由公式可得：ee t t e tt t uo on offon on 当时， =102 . 0 o uv =0.4 时， =20。 o uv =0.6 时， =30。 o uv =0.8 时， =40。 o uv =0.99 时，=49.5v。 o u 上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以几乎没有误差。 12 总结总结 经过近一个星期的努力我终于顺利的完成了此次电力电子的课程设计，其 中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。 遇到的问题和困难： (1)在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数。 (2)在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件。 (3)在用 matlab 软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很 多时间才达到有效效果。虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的 学习解决了这些难题。 学到的知识： (1)通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。 (2)对直流斩波有了更深层次的理解。 (3)对 matlab 软件和电路原理图的设计有了初步了解。 (4)在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努力才能打败困难，获得更多 以的知识。 13 参考文献 1 王兆安，刘进军. 电力电子技术.5 版.北京.机械工业出版社，2012 2 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991 3 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996 4 康华光. 电子技术基础模拟部分.5 版.北京.高等教育出版社，2006 5 邱关源，罗先觉. 电路.5 版.北京.高等教育出版社，2006 6 曹开成，张丹，罗雪莲.电路与电子技术实验.长沙.中南大学出版社，2009 7 王兆安，黄俊主编. 电力电子技术 4 版.机械工业出版社