电力电子课程设计--升压式DC_DC变换器设计及其傅立叶分析.doc

电力电子技术课程设计 班 级： 电气0902 学 号： 姓 名： 扬州大学 能源与动力工程学院电气工程及其自动化专业二零一三年三月一 课程设计的目的与要求1. 进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性；2. 进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；3. 掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数的计算方法；4. 培养对电力电子电路的性能分析的能力；5. 培养撰写研究设计报告的能力。通过对一个电力电子电路的初步设计，巩固已学的电力电子技术课程的理论知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。二、题目 升压式DC/DC变换器设计及其傅立叶分析三 课程设计的内容1. 主电路方案确定2. 绘制电路原理图、分析理论波形3. 器件额定参数的计算4. 建立仿真模型并进行仿真实验5. 电路性能分析：输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等四 、仿真软件的使用1、MATLABSimulink 是 The MathWorks 公司的产品，可在 MATLAB 环境下建立系统框图和仿真的模块库，其功能非常强大，可用于电力电子系统的仿真，模块库中提供了大量的电力电子模型。其具体使用方法和相关电力电子模型的建立、仿真等请参阅课程设计教材。目录1、 主电路方案的确定及其原理.42、 绘制电路原理图及分析理论波形.43、 器件额定参数的计算.74、 建立仿真模型并进行仿真实验.85、 电路性能分析：傅立叶分析.116、 小结.147、 参考文献.14一、主电路方案的确定及其原理在电源 与负载之间串接一个通、断控制的开关器件，是不可能使负载获得高于电源电压 的直流电压的。为了获得高于电源电压 的直流输出电压 ，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感，如图（）所示。在开关管关断时，利用图（）中电感线圈 在其电流减小时所产生的反电动势（在电感电流减小时， 为正值）与电源电压 串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压 的直流电压 。图（）就是在这一思想启发下，利用一个全控型开关管和一个续流二极管加上电感、电容构成的直流直流升压变换器 变换器。变换器是输出直流电压平均值 高于输入电压 的单管不隔离直流变换器，图（）中，变换器中电感在输入侧，称为升压电感。开关管仍为 控制方式，和变换器一样，变换器也有电感电流连续和断流两种工作方式，图（）和（）给出了这两种工作方式下的主要波形图。图（）、（）、（）为变换器在不同开关状态时的等效电路。当电感电流连续时，变换器存在两种开关状态，如图（）和（）所示；而当电感电流断流时，变换器还有第三种开关状态，如图（）所示。二、绘制电路原理图及分析理论波形这里我们讨论两种开关状态两种开关状态（）开关状态：从 到 期间，开关管导通，二极管 截止，等效电路如图（）所示。电源电压 加到升压电感上，电感电流线性增长： 。当 时，达到最大值 。在导通期间， 的增量 为： 在开关状态，由于二极管截止，负载由滤波电容 供电，选用足够大的值，可使 变化很小。（） 开关状态：从 到 的期间，阻断，导通，等效电路如图（）所示。这时， 通过二极管 向输出侧流动，电源功率和电感的储能向负载和电容 转移，给充电。此时加在上的电压为 ，因为 ，故 线性减小： 经历 时期后， 达到最小值 。在截止期间， 的减少量 为： （ ） （ ）此后，又导通，开始另一个开关周期。，变换器电源的输入电流就是升压电感 电流，电流平均值（ ）。开关管和二极管轮流工作，导通时，电感电流 流过； 截止、 导通时，电感电流 流过。电感电流是导通时的电流和导通时的电流 的合成。在周期 的任何时刻，都不为零，即电感电流连续。稳态工作时，电容充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，故通过二极管的电流平均值就是负载电流 变压比 和电压、电流基本关系稳态工作时，导通期间，电感电流的增量 等于它在截止期间的减少量 ，可得到升压比： （ ）在每一个开关周期中，电感都有一个储能和能量通过二极管 的释放过程，也就是说必须有能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必然会使 不断升高，最后使变换器损坏。实际工作中，为防止输出电压过高，变换器不宜在占空比 接近于的情况下工作。变换器在电流连续条件下其变压比也仅与占空比有关而与负载电流无关。通过二极管 的电流平均值 等于负载电流平均值 ，即 。电感电流的脉动量：由于电源输入功率 ，故电源电流 （）。由图通过和的电流最大值 和与电感电流最大值 相等，即：和 截止时所承受的电压 和 均为输出电压 ，即 输入电流 的脉动量 等于电感电流 的脉动量：输出电压脉动量 等于开关管导通期间电容 向负载放电引起的电压变化量。可近似地由下式确定：三、器件额定参数的计算电感电流连续时 ，得到 。又 。当 时，；当 时，。电源电压 变化时，占空比 的变化范围是。临界负载电流 （）时， 有最大值 。 值越接近， 大。令最小负载电流大于临界负载电流 ，由（）式，即（ ，则：取。验算：，时，临界负载电流为：确保了电感电流连续，输出电压纹波：四、建立仿真模型并进行仿真实验（a） 电感电流连续时主要波形（b） 电感电流断流时主要波形5、 电路性能分析：傅立叶分析 傅立叶分析：傅里叶分析，又称调和分析，是数学的一个分支领域。它研究如何将一个函数或者信号表达为基本波形的叠加。它研究并扩展傅里叶级数和傅里叶变换的概念。基本波形称为调和函数，调和分析因此得名。在过去两个世纪中，它已成为一个广泛的主题，并在诸多领域得到广泛应用,如信号处理、量子力学、神经科学等。 我们在Matlab得到的仿真波形中可以直接得出傅立叶分析出来的波形 以下为傅立叶分析图（a）电感电流连续时主要波形iLiTiDVL(b)电感电流断流时主要波形iLiTiDVL六、小结为期一个半星期的电力电子课程设计结束了，虽然还带着些许疑问，不过这一切可能在未来或者更为出色的人去探讨，在这大四最后的一学期，也算是屈指可数的几个设计了，留给我的印象是非常深刻的，不但还没有学的透彻而且还有更多的需要探讨。起初老师布置给我们的任务看似简单明了，但是随着课题的选择就出现了麻烦，许多东西有印象但是却不能去完整的表述和理解，在最开始就出现了麻烦；但是在我们继续跟老师请教后我们还是选出了合适自己的课题；在复习了先前的知识以后，才对所要求的电路有一个大概的了解，可是，拦路虎始终都会出现，此次课程设计最核心的部分就是用Matlab仿真，这个软件我们却从来没用过，这对我们来说是一个很大的挑战，在满是英文的界面里寻找我们需要的模块，给了我们好大的压力，我们每天都缠着老师，让他们在继续教我们一下，回去又在宿舍里不断练习，所谓勤能补拙，熟能生巧，应该也是这样吧，几天过去了，总算能很快找到模块接好电路；出波形时，又很难调试出跟理论上相似的波形，为此我们上网查原因，去图书馆查资料，总算得出原因，大家一起努力得出了波形，感受到了科研出结果的艰辛与不易。对于此次课程设计，要特别感谢刘老师和蒋老师的悉心教导，在他们不厌其烦的教导下，我们才能在短期内比较灵活的使用软件。以后还有很多路要走，我们要从此次课程设计得到的经验来走好我们的将来的路。七、参考文献1 朱桂萍,陈建业.电力电子电路的计算机仿真M.清华大学出版社, 20082 陈建业. 开关电源计算机仿真技术M.电子工业出版社, 20113 SimPowerSystems 手册. /products/simpower/4 魏艳君.电力电子电路仿真-MATLAB 和PSpiceM.机械工业出版社,20125