湖南工程学院2014直流降压斩波电路课程设计教材

1、等级 :湖南工程学院应用技术学院课 程 设 计课程名称电力电子技术课题名称 DC-DC 变换电路分析专 业 电气工程 班级 学号 姓名指导教师 李祥来2014 年 月 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称 ： 电力电子技术题 目： DC-DC 变换电路分析专业班级： 电气 1184学生姓名：学号：指导老师：审 批：任务书下达日期设计完成日期2014 年月日2014 年月日设计内容与设计要求设计内容：1、分析研究 DC-DC 变换电路（ Buck 电路）；2、用 MATLAB 对设计的电路进行仿真；3、根据仿真结果分析，电路各元件参数选择依据；4、完成报告撰写。设计要求：1 设计思路清晰，给出各

2、种情况下的整体设计框图；2 给出具体设计思路和电路；3 分析各电路的原理，并进行相应的仿真；4 写出设计报告；主要设计条件1、 可提供实验与仿真条件说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 每个电路总体思路，基本原理和框图；5 驱动电路设计分析（驱动电路电路图） ；6 电路实验、仿真等。7 分析总结；8 附录（完整电路图） ；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表前言直流-直流变流电路(DC-DC Converter)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， 包括直接直流变流电路和间接直流变流电路， 直接直流 变流电路也称斩波电路( DC Chopper), 它

3、的功能是将直流电变为另一固定电压 或者可调电压的直流电， 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，也称为带隔离的直 流-直流变流电路或直 -交-直电路。习惯上， DC-DC 变换器包括以上两种情况， 且甚至更多地指后一种情况。直流斩波电路的种类较多， 包括 6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，其 中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，

4、理解 了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。降压斩波电路( Buck Chopper)的设计与分析是接下来课程设计的主要任务目录一降压斩波电路 71.1 降压斩波原理： 71.2 工作原理 81.3 IGBT结构及原理 8二 直流斩波电路的建模与仿真 1 12.1IGBT驱动电路的设计 错 误！未定义书签。2.2 电路各元件的参数设定 错 误！未定义书签。2.3 元件型号选择 错 误！未定义书签。2.4 仿真软件介绍 错 误！未定义书签。2.5 仿真电路及其仿真结果 错 误！未定义书签。2.6 仿真结果分析 错 误！未定义书签。三课设体会与总结 1 9四附录（完整电路图） 1 9五参考文献

5、1 9六课程设计成绩表 1 9降压斩波电路1.1 降压斩波原理降压斩波电路( Buck Chopper )的原理图及工作波形如下图所示。该电路使用 一个全控器件 V，图中为 IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置是晶 闸管关断的辅助电路。图中，在为 V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置 了续流二极管 VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机， 也可带蓄电池负 载，两种情况下负载中均会出现反电动势， 如图中 EM所示。 若负载中无反电动势 时，只需令 EM=0.以下的分析及表达式均可适用。由图b中V的栅射电压 UGE波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向载提供电，负 载电压

6、U0=E，负载电流 I0按指数曲线上升。负载电压的平均值，和负载电流的平均值：U 0 tonEton E Eton toff TU 0 EM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，简称占空比或导通比根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：1) 保持开关周期 T不变，调节开关导通时间 ton ，称为 PWM。2) 保持开关导通时间 ton 不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调 频型。3) ton 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。EM1.2 工作原理1) t =0时刻驱动 V导通，电源 E向负载供电，负载

7、电压 uo=E，负载电 流 i o按指数曲线上升。2) t =t 1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 常使串接的电感 L值较大 。3) t =t2时刻，再次驱动 V导通，重复上述过程基于“分段线性 ”的思想，对降压斩波电路进行解析从能量传递关系出发进行的推导由于 L为无穷大，故负载电流维持为 I o不变电源只在V处于通态时提供能量，为 EI0 ton在整个周期 T中，负载消耗的能量为( RI0T+EM I 0T)一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等tonEtonU 0 E Eton

8、toff TU 0 EMR输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器该电路使用一个全控器件 V，途中为 IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸 管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在 V关断时给负载的电感电流提供通道， 设置了续流二极管 VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机， 也可以带蓄 电池负载，两种情况均会出现反电动势1.3 IGBT 结构及原理IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) ，绝缘栅双极型晶体管， 是由 BJT(双 极型三极管 ) 和 MOS绝( 缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式功率半导 体器件 , 兼有 MO

9、SFET的高输入阻抗和 GTR的低导通压降两方面的优点。 GTR饱 和压降低，载流密度大，但驱动电流较大； MOSFE驱T 动功率很小，开关速度快， 但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而 饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、 变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。方法IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFE的T 自然进化。 由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS需要一个源漏通道， 而这个通道却具有很高 的电阻率，因而造成功率 MOSFE具T 有 RDS（on）数值高的特征， IGBT

10、消除了现有 功率 MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器 件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低 VCE（sat） 的能力，以及 IGBT的结构，同一个标准双 极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT 驱动器的原理图。导通IGBT 硅片的结构与功率 MOSFET的 结构十分相似，主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT 技术没有增加这个部分 ） 。如等效电 路图所示 （图 1） ，其中一个 MOSFE驱T 动两个双极器件。基片的应用在管体的

11、P+ 和 N+ 区之间创建了一个 J1 结。 当正栅偏压使栅极下面反演 P 基区时，一个 N 沟道形成，同时出现一个电子流， 并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。 如果这个电子流产生的电压在 0.7V 范围内，那么， J1 将处于正向偏压，一些空 穴注入 N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损 耗，并启动了第二个电荷流。 最后的结果是， 在半导体层次内临时出现两种不同 的电流拓扑：一个电子流 （MOSFET电 流）； 一个空穴电流 （ 双极） 。关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入 N- 区内。在任何情况下，如果 MOSF

12、ET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐 渐降低，这是因为换向开始后， 在 N层内还存在少数的载流子 （ 少子） 。这种残余 电流值 （尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度， 而密度又与几种因素有关， 如掺杂质的数量和拓扑， 层次厚度和温度。 少子的衰减使集电极电流具有特征尾 流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续 流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、 IC 和 VCE密切相 关的空穴移动性有密切的关系。 因此，根据所达到的温度， 降低这种作用在终端 设备设计上的电流的不理想效应是可行的。直流斩波电路的建模

13、与仿真2.1 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 2.1.1 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， 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。其中 2、3 口是输入口 4、6 接直流电源电压 1 为输出口2.2 电路各元件的参数设定1. IGBT 的参数设定图 2.2.3 降压斩波电路电路图图 2.2.1 I

14、GBT 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I CES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 2.2.2 IGBT 模块的术语及其说明由图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=220

15、V图 2.2.5 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 在+25C 时， UGE(th)的值一般为 2-6V。参考电力电子技术课本可得：1C，其值下降 5mV 左右I minet1/eT/11) EREme1m) ER式 3.1max1et1 /1e)ER1e1em) ER式 3.2式中， T/ ；m Em/E；t1/ t1 Tm 1 T若取 R为 10 ，则：I max 220/R 22A2. 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 导通时的电源电压 100V。所承受 的 最大电流是当 IGBT 关断瞬间电感 L 作用在

16、VD 上的电流，此电流为 I max 22A。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 1mH 。2.3 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 440V -660V .额定电流 33 A -44 A ，二极管 VD 与其类似， VD 的最大反向电 压为 220V 。选择 IGBT 的型号为 IRG4PC40U 其额定电压为 600V ，额定电流为 40 A 。 选择续流二极管的型号为 HFA25TB60 ，其而定电压为 600V ，额定电流为 25A 。2.4 仿真软件的介绍此次

17、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

18、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

19、，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。2.5 仿真电路及其仿真结果1.仿真电路图图 2.5.1 降压斩波的 MATLAB 电路的模型2.MATLAB 的

20、.仿真结果如下：图 2.5.2 =0.2 时的仿真结果图 2.5.3 =0.4 时的仿真结果图 2.5.4 =0.6 时的仿真结果图 2.5.5 =0.8 时的仿真结果图 2.5.6 =0.99 时的仿真结果2.6 仿真结果分析由公式Uoton E ton E E可得：ton toffT当0.2 时， U O =44V=0.4时， U O =88V 。=0.6 时，UO =132V 。=0.8 时，UO =176V 。=0.99 时，UO =217.8。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三课设总结与体会四.附录（完整电路图）五参考文献进度安排第 1 周星期一 : 课题内容介绍和查找资料；星期二 : 熟悉基本直流斩波电路；星期三 : 分析直流斩波电路；星期四 : 分析直流斩波电路；星期五 : 设计直