南京工程学院电力电子课程设计重点

南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目 硬开关降压型直流变换器设计课程名称电力电子技术院系电力工程学院专业班级学生姓名学号设计地点工程实践中心9-222指导教师周云红李先允设计起止时间： 2013年12月30日至2014年1月10日目录0．1摘要........................................................20．2课程设计任务书..............................................3一、引言.........................................................7二、整体设计方案.................................................7三、电路原理图1、IGBT驱动电路..............................................72、降压斩波电路..............................................8四、MATLAB仿真1 、 根 据 初 始 参 数 值 调 节 占 空 比 观 察 输 出 波形...............................................................112、调节电感大小（以占空比为50%为例）.............................13五、总结.........................................................15六、参考文献.....................................................151硬开关降压型直流变换器设计摘要：Buck变换器是一个非线性、时变、周期性系统，采用硬开关模型建立 Buck变换器的小信号模型，并在Matlab中验证并分析。而在实物中可用 SG3525实现有源超前滞后补偿网络对闭环系统进行校正，以验证模型和控制方法的合理性。关键词： Buck直流变换器；硬开关模型； Matlab仿真；SG3525HARD-SWITCHINGBUCKDC-DCCONVENTERDESIGNAbstract:Buckconverterisanonlinear,time-varying,periodicsystem,usinghard-switchingmodelsmall-signalmodelBuckconverter,andverifyandanalyzeinMatlab.SG3525isavailableinthephysicalrealizationoftheactivelead-lagcompensationnetworkofclosed-loopcalibrationsystemtoverifytherationalityofthemodelandcontrolmethod.Keywords:BuckDC-DCconverter;hard-switchingmodel;Matlabsimulation;SG35252南京工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术院（系、部、中心）电力工程学院专业建筑电气与智能化班级姓名学号起止日期2013.12.30——2014.1.10指导教师周云红李先允31．课程设计应达到的目的（1）初步了解电力电子装置或电路的设计方法，培养运用知识进行工程设计的能力。（2）初步了解和掌握电子电子电路拓扑结构和运行原理的分析方法；（3）学习和了解电路参数计算方法，以及电力电子器件选择的方法；（4）进一步培养对电力电子电路性能进行分析的能力。（5）学习并掌握Matlab的使用方法，学会利用 Matlab工具软件进行仿真。（6）培养文献检索以及综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。2．课程设计题目及要求题目：硬开关降压型直流变换器设计设计要求：（1）确定硬开关降压型直流变换器的主电路方案；（2）绘制电路原理图，并分析其工作原理；（3）器件选择与额定参数计算；（4）搭建仿真电路，完成各模块参数设置以及仿真参数设置， 通过仿真研究进行参数测量和波形绘制。（5）将仿真所得结果与理论计算所得结果进行比较分析，验证方案的正确性。43．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕设计文件和图纸要求：设计报告：1）绘制电路原理图，并阐述其工作原理；2）器件选择与额定参数计算；3）绘制该变换器的MATLAB仿真电路，给出各模块参数设置以及仿真参数设置。4）给出参数测量数据和波形，将仿真结果与理论计算结果进行比较分析，验证仿真方案的正确性；（5）按要求撰写课程设计报告，上交打印版和电子稿。说明：1）课程设计说明书用A4纸统一打印，按《电力学院课程设计说明书规范》统一要求书写并装订；2）课程设计的MALAB仿真模型打包上交，文件夹名称为学生姓名及学号；3）答辩：未经知道老师许可或无故不到者，缺勤率达50%的学生不能参加答辩。答辩时，设计者阐述自己的设计过程和结果，重点uchu设计中遇到的主要问题和解决方法，回答老师提问。4．主要参考文献（1）李朝生.电机与电力电子实验极仿真指导书 [M].北京:中国电力出版社,2012.（2）李先允.电力电子技术[M].北京:中国电力出版社,2006.（3）飞思科技产品研发中心 .MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真 .北京:电子工业出版社,2005.55．课程设计进度安排12月30日~12月31日——复习直流斩波电路的构成和原理分析1月1日~1月2日——查询工具书及文献资料，学习 MALAB 的使用方法1月3日——确定主电路方案，绘制原理图，并分析其工作原理1月6日~1月7日——进行参数计算和器件选择，建立系统的 MATLAB仿真模型，成各模块参数设置以及仿真参数设计，进行仿真研究。1月8日~1月9日——将仿真结果与理论计算结果进行比较分析，验证设计方案的正确性。整理资料，撰写课程设计说明书1月10日——课程设计答辩6．成绩考核办法课程设计成绩评定：平时表现 30%，设计成果40%，答辩表现30%。课程设计成绩评定需综合考虑以下因素：（1）工作表现：独立工作能力及设计过程的表现，占总成绩的 30%；2）设计成果：设计说明书（计算书、论文）、图纸、程序、作品等的质量，占总成绩的40%；3）答辩表现：课程设计结束前，指导教师采用答辩的形式对所指导的学生进行测评，填写课程设计答辩记录，测评成绩占总成绩的30%；教研室审查意见：教研室主任签字：年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字：年 月 日6一、 引言斩波电路将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流 -直流变换器（DC/DCConverter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。降压斩波电路(BuckChopper)是直流斩波电路中应用最为广泛的一种电路形式。主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的 MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。Buck变换器是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。本论文利用Matlab仿真软件,建立由IGBT元件组成的Buck降压电路的仿真模型,针对其工作原理,选择电容、电感等技术参数,在不同占空比下仿真系统效果,分析BUCK降压电路的作用及效果。二、整体设计方案降压斩波电路的控制电路是以SG3525为核心构成的，其内部含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Rp的大小，在A、B两端可输出两个幅值相等、频率相等、相位相等、占空比可调的矩形波即PWM信号；主电路由IGBT、续流二极管、电感、电容、纯电阻组成，全控器件IGBT作为控制器，续流二极管作为模式 2时的续流器件，电感作为模式1时的储能器件模式 2时的电源，电容作为稳压器件，负载为纯电阻。三、电路原理图1、IGBT驱动电路此电路主要用来驱动 IGBT斩波。本电路采用直接产生 PWM的专用芯片SG3525产生PWM信号。芯片的外围电路连接几个电阻电容用来产生特定频率的 PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出 PWM波的占空比，故在 IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。该芯片内部还设有保护电路， 提高了安全性。它还具有高抗干扰能力，可以放心使用。电路图如图 1。工作原理：通过R2、R3、C2结合SG3525产生锯齿波输入到 SG3525的振荡器。其产生的 PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R4可以改变占空比。输出的7PWM信号通过二极管 D6、D7送至光电耦合器 U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动 IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的 PWM斩波电路。图12、降压斩波电路工作原理图如图2图2电路按此工作方式一个周期可分为两个不同的工作模式，其具体分析如下：（1）工作模式1（0 t t1 T）8图3模式1设t=0时刻，V管被激励导通，VD管要承受反压，故电流IVD迅速下降，而V管电流迅速上升。此过程开关时间很短，可认为瞬间完成。此时电路工作于模式 1，在V管接通的t1时间内，V管流过的电流就是电感电流，若假定这期间 U0不变，则电感L中的电流直线上升，能量储存于电感中。则有：UdU0LI2I1LI（式1）t1t1即：(I)L（式2）t1U0Ud（2）工作模式2（t1TtT）图4 模式29设tt1时刻，控制V关断，电感电流经二极管VD续流，此时VD导通，电路工作于模式2，假设此时电感电流i0按线性规律下降，电感释放能量，则有：LIU0（式3）t2即：IL（式4）t2U0至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。为了使电流连续且脉动小通常使串联的电感L值较大，电路工作在稳态时可使负载电流在一个周期的初值和终值相等，其主要波形如图5图5输出电压和输入电压的关系：由（式1）可得电感上的峰-峰脉动电流为：IUdU0t1（式5）L由（式3）又可得：IU0t2（式6）L两者相等，故有：UdU0t1U0t2（式7）LL10将t1T，t2(1)T代入上式。整理得：U0Ud（式8）输出电流与输入电流的关系：假设斩波器是无损耗的，则有 Pi P0其输入和输出功率分别为：PiIiUd2P0U0I0U0R从而有IiUdI0U0I0Ud等式两边约去Ud，则有：IiI0电感的纹波电流表达式：U0UdU0IfLUd或：Ud1IfL输出纹波电压表达式：U0UdU0Uc2Ud8LCf或：Ud1Uc28LCf

（式9）（式10）（式11）（式12）（式13）四、MATLAB仿真元器件选择为直流电压为100V，电阻R1，电感L1mH，电容C500pF，开关周期为0.01s。降压斩波电路的仿真电路如图611图6、根据初始参数值调节占空比观察输出波形：各波形图中自上向下为脉冲信号、GTO电流、GTO电压、电阻电流、电阻电压的波形。（1）占空比为50%的波形如图7图7（2）占空比为70%的波形如图812图8（3）占空比为20%的波形如图9图9观察上述各波形，当占空比为20%时，电阻电流和电压还未达一个周期就已为 0，说明开关器件导通时间变短时由于电感不够大而储存的能量提前释放完了，继而出现电流不连续。而在占空比为50%、70%时的纹波电流很大，要想改变这种情况就必须增大电感或调高开关工作频率。2、调节电感大小（以占空比为 50%为例）（1）当L 10mH，波形如图1013图10（2）当L 20mH，波形如图11图11当电感为10mH时，带入公式Ud1得，I50mA。IfL当电感为20mH时，同理解得I25mA。由上述计算可得出当电感值逐渐增大，纹波电流对应变小。观察波形得，电阻电压电流呈锯齿波，并且随电感增大波形越来越趋于直线。因此可知，大电感可稳定输出电压。14五