降压直流斩波电路设计王惠民(共21页)

1、 电力电子(dinz)技术课程设计说明书 降压(jin y)直流斩波电路设计 学 院： 电气(dinq)与信息工程学院 学生姓名： 王惠民 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： 自卓1301 学 号： 1330940108 完成时间： 2015年12月 湖南工学院电力电子(dinz)课程设计课题任务书学院(xuyun)： 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王惠民 课题名称直流降压斩波电路的设计内容及任务一、设计任务设计一个直流降压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在50100V可调，其它性能指标自

2、定。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,20122 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,19913 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 要直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设

3、备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路 . 直流斩波技术(jsh)已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。设计仿真(fn zhn)通过matlab软件(run jin)中的Simulink模块对设计的降压斩波电路进行仿真和计算的理论值进行对比，误差分析得出仿真结果与理论值基本一致。关键词：直流斩波；降压斩波；Matlab仿真目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc232921495 1 电路(dinl)总体设计方案1 HYPERLINK l _

4、Toc232921496 1.1 设计(shj)课题任务1 HYPERLINK l _Toc232921497 1.2 功能要求(yoqi)说明1 HYPERLINK l _Toc232921498 1.3 设计总体方案和设计原理1 HYPERLINK l _Toc232921499 2 电路的设计3 HYPERLINK l _Toc232921500 2.1 整流滤波电路3 HYPERLINK l _Toc232921500 2.2 IGBT驱动电路的设计4 HYPERLINK l _Toc232921501 3 电路各元件的参数设定及元件型号选择6 HYPERLINK l _Toc2329

5、21502 3.1 各元件的参数设定6 HYPERLINK l _Toc232921503 3.2 元件型号选择8 HYPERLINK l _Toc232921504 4 系统仿真及结论9 HYPERLINK l _Toc232921505 4.1 仿真软件的介绍9 HYPERLINK l _Toc232921506 4.2 仿真电路及其仿真结果 PAGEREF _Toc232921506 h 10 HYPERLINK l _Toc232921507 4.3 仿真结果分析 PAGEREF _Toc232921507 h 12 HYPERLINK l _Toc232921508 心得体会 PAG

6、EREF _Toc232921508 h 13 HYPERLINK l _Toc232921509 参考文献14 HYPERLINK l _Toc232921510 致 谢 PAGEREF _Toc232921510 h 15 HYPERLINK l _Toc232921511 附录 电子元器件表 PAGEREF _Toc232921511 h 16 1 电路(dinl)总体设计方案1.1 设计课题(kt)任务设计一个直流降压(jin y)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

7、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

8、载电压平均值为(1)式中，ton为V处于(chy)通态的时间；toff为V处于断态的时间(shjin)；T为开关周期；为导通占空比。由式（1）可知(k zh)，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)图2 降压斩波电路的工作波形2 电路(dinl)的设计2.1 整流(zhngli)滤波电路本设计采用(ciyng)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

9、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

10、50V）。2.2 IGBT驱动(q dn)电路的设计 IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受(chngshu)短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。IGBT的驱动(q dn)是矩形波，所以选择了由比较器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

11、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(lixng):SOIC-3dB带宽增益(zngy)乘积:1.1MHz变化(binhu)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。3 电路各元件(yunjin)的参数设定及元件型号选择3.1 各元件

12、的参数(cnsh)设定3.1.1 IGBT的参数(cnsh)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(jin y)斩波电路电路图图8 降压(jin y)

13、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(chngshu)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) (4)式中，；。若取为10，则：3.1.2 续流二极管VD的参数(cnsh)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(din n)L作用在VD上的电流，此电流为。3.1.3 电感的参数(cnsh)设

14、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。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的最大反向电压为220。选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600，额定电流为40。选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其额定电压为600，额定电流为25。4 系统仿真(fn zhn)及结论4.1 仿真(fn zhn)软件的介绍此次仿真(fn zhn)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

15、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

16、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

17、领域建模功能，也提供(tgng)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(zhji)访问Matlab大量(dling)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(shzh)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(fn zhn)结果图12 =0.4时的仿真(fn zhn)结果图13 =0.6时的仿真结果

18、图14 =0.8时的仿真(fn zhn)结果图15 =0.99时的仿真(fn zhn)结果4.3 仿真(fn zhn)结果分析由公式可得：当时， =10 =0.4时， =20。 =0.6时， =30。 =0.8时， =40。 =0.99时，=49.5V。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。心得体会回顾(hug)起此次电力电子课程设计，感慨颇多，在这段时间里可以说是整天都充满着压力与忙碌，自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。从开始得到老师给定课题时的一脸茫然到老师讲解后内容的初步了解再到自己通过查资料、与同学共同探讨、经过老师指导后，自己设计并写出这份课程报

19、告，心中充满了成就感。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。本次课程设计还让我明白了理论(lln)联系实际的重要性，只有通过实际的动手才能加深对于理论知识的理解。在做课程设计的过程中我发现自己对课本知识的理解不够深刻，掌握的不太牢靠，以后一定会努力地温习以前的知识。经过(jnggu)一段时间努力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：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。在选取元器件型号和参数时，缺少实际经

20、验难以找到合适的元件。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：通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。对直流斩波有了更深层次的理解。对Matlab，proteus软件和电路原理图的设计有了初步了解。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 王兆安，刘进军. 电力电子(dinz)技术.5版.北京.机械工业出版社，20122 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械(jxi)工业出版社,19913 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京(bi jn):机械