BUCK-DC-DC电路的设计.doc

电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院 电力电子课程设计电力电子课程设计 设计题目：设计题目： 降压斩波电路设计 专业班级：专业班级：电气工程及其自动化本科 1 班 学学 号：号： 200840220116 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 设计时间：设计时间： 2011/5/32011/5/13 设计地点：设计地点： K2 电力电子实验室 电电 力力 电电 子子 课程设计成绩评定表 姓 名朱波学 号200840220116 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 1、 电压型逆变电路有什么特点？ （1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动 （2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同 （3）阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆 变桥各臂并联反馈二极管 2、在选择 IGBT 时应注意什么？ 在选择 IGBT 模块时，应考虑器件耐压电流 2 个参数确定。在器件耐压电流参 数确定时，首先根据 IGBT 模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线 电压下，通常模块工作电压（600V、1200V、1700V 分为 3 个电压等级）均对应于 常用电网电压等级。考虑到因过载、电压波动、开关过程引起的电压尖峰等因素， 通常电力电子设备选择 IGBT 器件耐压都是直流母线的 1 倍。 成绩评定依据： 课程设计考勤情况（20）： 课程设计答辩情况（30）： 完成设计任务及报告规范性（50）： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2011 年 5 月 20 日 电力电子课程设计电力电子课程设计课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级：电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师：指导教师： 工作部门：工作部门：电气学院电气自动化教研室电气学院电气自动化教研室 一、课程设计题目：一、课程设计题目： 降压斩波电路设计 二、课程设计内容二、课程设计内容 1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计， 要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； 2. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数； 3. 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000 字以上） 。 注：详细要求和技术指标见附录。 三、进度安排三、进度安排 1时间安排 序 号内 容学时安排（天） 1方案论证和系统设计1 2主电路设计1 3保护电路设计1 4驱动电路设计1 5设计答辩1 合 计5 设计指导答辩地点：电力电子室 2执行要求 电力电子课程设计共9个选题，每组不得超过6人，要求学生在教师的指导下，独力完 成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型） 。严禁抄袭，严禁 两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。 四、基本要求四、基本要求 （1）参考毕业设计论文要求的格式书写，所有的内容一律打印； （2）报告内容包括设计过程、电路元件参数的计算、系统仿真结果及分析； （3）要有完整的主电路原理图和控制电路原理图； （4）列出主电路所用元器件的明细表。 （5）参考文献 五、课程设计考核办法与成绩评定五、课程设计考核办法与成绩评定 根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。 评定项目 基本内涵分值 设计过程 考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20 分 设计报告 完成设计任务、报告规范性等情况50 分 答 辩回答问题情况30 分 90100 分：优；8089 分：良；7079 分：中；6069 分，及格；60 分以下：不及 格 六、课程设计参考资料六、课程设计参考资料 1 王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001 2 王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001 3 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001 4 石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导. 北京：机械工业出版 社，1999 5 赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010 指导教师：南光群、黄松柏 2011 年 10 月 8 日 教研室主任签名： 2011 年 10 月 9 日 附录：详细要求和技术指标附录：详细要求和技术指标 降压斩波电路设计 一、设计要求： 1、输入直流电压：Ud=100V； 2、输出功率：150W； 3、开关频率：10kHz； 4、占空比：0.10.9； 5、电阻性负载； 6、输出电压脉率：小于 10%。 二、设计内容： 1、主电路参数的计算； 2、全控型器件电流、电压额定的选择； 3、电力二极管电流、电压额定的选择； 4、电抗器电感值的计算； 5、保护电路的设计； 6、驱动电路的设计； 7、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图； 8、列出主电路所用元器件的明细表。 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。 关键字：直流斩波，降压斩波 目目 录录 第 1 章 电路总体设计方案 8 1.1 设计课题任务 8 1.2 功能要求说明 8 1.3 设计总体方案和设计原理 8 第 2 章 电路的设计10 2.1 IGBT 驱动电路的设计10 第 3 章 电路各元件的参数设定及元件型号选择12 3.1 各元件的参数设定 12 3.2 元件型号选择 14 第 4 章 系统仿真及结论16 4.1 仿真软件的介绍 16 4.2 仿真电路及其仿真结果16 4.3 仿真结果分析 17 第 5 章 心得体会19 参考文献 19 致 谢 20 附录 电子元器件表20 第第 1 章章 电路总体设计方案电路总体设计方案 1.1 设计课题任务设计课题任务 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 1.1 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。 图图 1.1 降压斩波电路原理图降压斩波电路原理图 如图 1.2 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 1.2 所示。负载电压平均 值为 式 1.1EE 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 1.1 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 R EU I mo o 图图 1.2 降压斩波电路的工作波形降压斩波电路的工作波形 第第 2 章章 电路的设计电路的设计 2.1 IGBT 驱动电路的设计驱动电路的设计 IGBT 的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器 LM358 产生矩形波。 图图 2.1 LM358 的引脚图的引脚图 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 图图 2.2 比较器产生方波电路图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。 第第 3 章章 电路各元件的参数设定及元件型号选择电路各元件的参数设定及元件型号选择 3.1 各元件的参数设定各元件的参数设定 1. IGBT 的参数设定 图图 3.1 IGBT 的简化等效电路以及电气图形符号的简化等效电路以及电气图形符号 术语符号定义及说明（测定条件参改说明书） 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、发射极间短路，在集电极、发射极间加 上指定的电压时的集电极电流。 表表 3.1 IGBT 模块的术语及其说明模块的术语及其说明 图图 3.2 降压斩波电路电路图降压斩波电路电路图 图图 3.3 降压斩波总电路图降压斩波总电路图 由图 3.2 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。 图图 3.4 IGBT 的转移特性和输出特性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： 式式 3.1 R E m e e R E R E e e I m T t ) 1 1 () 1 1 ( / / min 1 式式 3.2 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 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. 电感的参数设定 由上面所选的电阻 20 欧姆，根据欧姆定律： 当 Uo=80V 时，Iomax=4A; 当 Uo=50V 时，Iomin=2.5A; 根据电感电流连续时电感量临界值条件：L=Uo*（Ud-Uo）/(2UdIo) 为了保证负载最小电流电路能够连续，取 Io=2.5A 来算，可得 L=0.125mH，所以只要所取电感 L0.125mH ，取 L=1mH。 4.开关频率 f=40kHz 5.电容 设计要求输出电压纹波小于 1%，由纹波电压公式： UdLCfUoUdUoUc 2 8/ )(* 可得 LC = 0.195 uH*F 取 C=0.47mF 3.2 元件型号选择元件型号选择 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VVAA 向电压为 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，其而定电压为 600，额定电流为 25。VA o 0 I U R 第第 4 章章 系统仿真及结论系统仿真及结论 4.1 仿真软件的介绍仿真软件的介绍 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。 4.2 仿真电路及其仿真结果仿真电路及其仿真结果 1.仿真电路图 图图 4.1 降压斩波的降压斩波的 MATLAB 电路的模型电路的模型 2MATLAB 的.仿真结果如下： 图图 4.24.2 =0.2=0.2 时的仿真结果时的仿真结果 图图 4.34.3 =0.4=0.4 时的仿真结果时的仿真结果 图图 4.44.4 =0.6=0.6 时的仿真结果时的仿真结果 图图 4.54.5 =0.8=0.8 时的仿真结果时的仿真结果 图图 4.64.6 =0.99=0.99 时的仿真结果时的仿真结果 4.3 仿真结果分析仿真结果分析 由公式可得：EE T t E tt t Uo on offon on 当时，=442 . 0 O UV =0.4 时，=88。 O UV =0.6 时，=132。 O UV =0.8 时，=176。 O UV =0.99 时，=217.8。 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没有误差。 第第 5 章章 心得体会心得体会 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