BUCK-DC-DC电路的设计

1、BUCK-DC-DC电路的设计戋心疼工富%电气与电子信息工程学院电力电子课程设计设计题目：降压斩波电路设计专业班级：电气工程及其自动化本科1班学 号： 200840220116姓 名：指导教师：设计时间：2011/5/3 2011/5/13设计地点：K2电力电子实验室2电力电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

2、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、1200W 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1GBT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

3、课程设计任务书学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化指导教师：工作部门：电气学院电气自动化教研室一、课程设计题目：降压斩波电路设计二、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;3.编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰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； 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1.时间安排等内容学时安排（天）1方案论证和系统设计12主电路设计13保护电路设计14驱动电路设计15设计答辩1合计5设计指导答辩地点：电力电子

4、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(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) 原理图；(4)(5)要有完整的主电路原理图和控制电路列出主电路所用元器件的明细表。参考文献五、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。评定项设计过口辩完成任务等情况性等情况回答问题

5、情况205030290100分：优；8089分：良；7079分:中格不及格六、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，20012王文郁.电力电子技术应用电路.北京: 机械工业出版社，20013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，20014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,19995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降压斩波电路设计一、设计要求:

6、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. 1-0.9；5、电阻性负载；6、脚坦曳齿脉率：小于10%。露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。二、设计内容:5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 股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

7、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，降压斩波第1章电路总体设计方案81.1 设计课题任务81.2 功能要求说明81.3 设计总体方案和设计原理8第2章电路的设计102.1 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123.1 各元

8、件的参数设定123.2 元件型号选择14第4章系统仿真及结论104.1仿真软件的介绍104. 2仿真电路及其仿真结果114. 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202第1章电路总体设计方案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024V。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1.1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

9、池负载等。3图L1降压斩波电路原理图如图L2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u0=E,负载电流i。按指数上升。当141时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压U。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L2所示。负载电压平均值 为式LIUo = E = -E = aE ton + ofi丁式中，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

10、空比。由式L1可知，输出到负载的电压平均值U。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。负载电流平均值为图1.2降压斩波电路的工作波形第2章电路的设计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 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。

11、 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：0 Cto -70 C 封装类型:SOIC3dB带宽增益乘积 变化斜率：0.6V/Rs 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2.2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。17第3章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1. IGBT的参数设定图3.1 IGBT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Vos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VflBS集电极、

12、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 as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3.1 IGBT模块的术语及其说明LR图32降压斩波电路电路图图33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3.4 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1 C,其值下降5mV左右。 在+25 C时，UGE“h）的值一般为

13、26V。参考电力电子技术课本可得：,Em /产一 1 E/ - = () = (- )J. JLm,n /-I RR ep-i Rjef E Ei-efE/max =(Z777)不一谭=T)7支 321 et K1 eK式中，p = TI t、m = Ein / E ； tJr = = apT T若取R为10Q,则：Zmax = 220/? = 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/max = 22A。 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

14、：R 旦Io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=lmH。4 .开关频率f=40kHz5 .电容 设计要求输出电压纹波小于1%,由纹波电压公式：AUc = Uo * (Ud -Uo)/ SLCf 2Ud可得 LC = 0. 195 uH*F取 C=0. 47mF3.2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

15、 可为440V -660V .额定电流33A.44A ,二极管VD与其类似，VD的最大反向 电压为220 V o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600%额定电流为25a。第4章系统仿真及结论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

16、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SimulinkoSimulink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

17、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。Shnulink®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

18、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L仿真电路图图4.1降压斩波的MATLAB电路的模型2MATLAB的.仿真结果如下:图4.2。=0.2时的仿真结果图4. 3。=0.4时的仿真结果图4. 4。=0.6时的仿真结果图4. 5。=0.8时的仿真结果图4.610.99时的仿真结果4.3 仿真结果分析由公式= E = &E =的可得： +toff T当 a = 0.2时，UO=44Va =0.4 时，UO=88V oa =0.6 时，Uo =132 V a =0.8 时，UO=176V oa =0

19、.99 时，4=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。第5章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。参考文献1 .周克宁，电力电子技术北京：机械工业出版社，2004；2 .黄家