電力電子課程設(shè)計(jì)17865

1、電力電子技術(shù)綜合實(shí)習(xí)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：Boost和Buck-Boost變換器的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 完成日期：2016.6.18 江蘇大學(xué)·電氣信息工程學(xué)院電力電子技術(shù)綜合實(shí)習(xí)任務(wù)書1. 設(shè)計(jì)題目： Boost和Buck-Boost變換器的設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)任務(wù)：分析Boost和Buck-Boost變換器的工作原理，根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計(jì)Boost和Buck-Boost變換器開關(guān)管T、二極管D、電感L和電容C的參數(shù)，采用MATLAB軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的變換器進(jìn)行仿真分析。1) Boost變換器的給定參數(shù)：輸入電壓Ui=80V，輸出電壓Uo=90-120V，開關(guān)頻率fs=4

2、5kHz，負(fù)載電阻R=500，輸出電壓紋波5%，輸電電流紋波I10%。 2) Buck-Boost變換器的給定參數(shù)：輸入電壓Ui=80V，輸出電壓Uo=50-120V，開關(guān)頻率fs=45kHz，負(fù)載電阻R=500，輸出電壓紋波5%，輸出電流紋波I10%。3. 設(shè)計(jì)要求：獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，撰寫報(bào)告并采用A4紙張打印裝訂。電力電子技術(shù)綜合實(shí)習(xí)報(bào)告內(nèi)容一、原理分析1) Boost變換器的給定參數(shù)：輸入電壓Ui=80V，輸出電壓Uo=90-120V，開關(guān)頻率fs=45kHz，負(fù)載電阻R=500，輸出電壓紋波5%，輸電電流紋波I10%。 S導(dǎo)通 S斷開 當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電感L的電流iL線性上升，電感儲(chǔ)

3、能，電感電流增加量為：當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電感L的電流iL線性下降，電感放能，電感電流減少量為： 電感電流波形分析：（電感電流連續(xù)）根據(jù)能量平衡原理，電感電流脈動(dòng)量為： 輸入電流平均值與電感電流平均值相等，分別為：二、參數(shù)設(shè)計(jì)由知，取=20%得Uo = 100V要使電流紋波I10%，電壓紋波5%，由，可得：HF管子耐壓值：管子電流值：三、仿真驗(yàn)證原理圖取H，F(xiàn)電容擴(kuò)大10倍電感擴(kuò)大10倍當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，取電感縮小100倍經(jīng)過(guò)以上波形以及波紋的比較，實(shí)際取值L=0.0178H,C=F（即電容值比計(jì)算值擴(kuò)大10倍）2) Buck-Boost變換器的給定參數(shù)：輸入電壓Ui=80V，輸出電壓Uo=50-1

4、20V，開關(guān)頻率fs=45kHz，負(fù)載電阻R=500，輸出電壓紋波5%，輸出電流紋波I10%。原理分析 S導(dǎo)通 S關(guān)斷當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電感L的電流iL線性上升，電感儲(chǔ)能，電感電流增加量為： 當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電感L的電流iL線性下降，電感放能，電感電流減少量為： 電感電流波形分析：根據(jù)伏秒平衡原理，電感電流脈動(dòng)量為： 參數(shù)設(shè)計(jì)：由可知，取=60%得Uo=120V要使電流紋波I10%，電壓紋波5%, 由，可得：=F管子耐壓值：管子電流值：仿真驗(yàn)證：原理圖取L=0.044H，C= F電容擴(kuò)大10倍電感擴(kuò)大10倍當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，取電感縮小100倍經(jīng)過(guò)以上波形以及波紋的比較，實(shí)際取值L=0.044H,

5、C=F（即電容值比計(jì)算值擴(kuò)大10倍五、設(shè)計(jì)總結(jié)由仿真結(jié)果不難得出，為了滿足系統(tǒng)最小的性能要求，器件的正確選擇十分重要，由于加載電壓輸出電容在電場(chǎng)儲(chǔ)存能量，所以定性的說(shuō)，電容的功能就是試圖保持一個(gè)固定不變的電壓。通常選取Boost和Buck-Boost功率級(jí)的輸出電容值使得把輸出電壓的紋波電壓限制在規(guī)格要求的水平。電容的串聯(lián)阻抗和功率級(jí)的輸出電流決定了輸出電壓的紋波。導(dǎo)致電容產(chǎn)生阻抗（和輸出電壓紋波）的三個(gè)元素是等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感和電容。對(duì)于連續(xù)電感器電流模式下的工作，為了確定電容值，需要知道它一個(gè)關(guān)于輸出負(fù)載電流IO、開關(guān)頻率fS、要求的輸出紋波電壓VO的函數(shù)，在假定所有的輸出電壓紋波

6、都是由電容器的電容產(chǎn)生的情況，這是因?yàn)樵诠β始?jí)開態(tài)（ON），輸出電容器提供了所有的輸出負(fù)載電流。對(duì)于非連續(xù)電感器電流模式下的工作，為了確定需要的電容值，在假定所有的輸出電壓紋波都是由電容器的電容產(chǎn)生的情況，但是在很多實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了得到需要的等效串聯(lián)電阻，通常都要選擇比我們計(jì)算出來(lái)的電容值大的電容器。電感器的功能是儲(chǔ)存能量，電流流過(guò)時(shí)能量會(huì)以磁場(chǎng)的方式儲(chǔ)存下來(lái)，所以定性的說(shuō)，電感器的作用就是試圖保持固定不變的電流值，或者等效的說(shuō)是限制流過(guò)電感器電流的變化率。選擇Boost和Buck-Boost功率級(jí)的輸出電感器電感值主要是限制流過(guò)它的紋波電流的峰峰值。選擇以后，功率級(jí)的工作模式，連續(xù)或非連續(xù)

7、，就確定下來(lái)了。電感器紋波電流跟加載的電壓和加載電壓的時(shí)間成正比，跟電感值成反比，除了電感值，在選擇電感器時(shí)需要考慮的其它重要因素有最大直流或峰值電流和最大工作頻率。讓電感器在它的額定直流電流內(nèi)工作對(duì)確保電感器不出現(xiàn)過(guò)熱或飽和很重要。電感器工作在低于最大額定頻率可以保證不會(huì)超過(guò)最大內(nèi)部損耗，從而避免出現(xiàn)過(guò)熱或飽和。 功率開關(guān)的功能是控制從輸入功率源到輸出電壓的能量流動(dòng)。在Buck-Boost功率級(jí)，功率開關(guān)當(dāng)開關(guān)打開時(shí)連通輸入到電感器，開關(guān)關(guān)上時(shí)斷開連接。功率開關(guān)必須在開時(shí)在輸出電感器傳導(dǎo)電流，關(guān)時(shí)阻止輸入電壓和輸出電壓的差值。而且功率開關(guān)必須很快的完成一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從

8、而避免在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)的功率損耗。這篇報(bào)告中考慮的功率開關(guān)類型是功率型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。其它的功率器件也可以用，但是在大多數(shù)情況下，在考慮到費(fèi)用和性能時(shí)（考慮驅(qū)動(dòng)電路時(shí)），MOSFET是最好的選擇?？梢允褂玫腗OSFET有兩種類型：n通道型和p通道型。P通道型MOSFET在Buck-Boost功率級(jí)中的使用更流行，因?yàn)轵?qū)動(dòng)p通道的門比驅(qū)動(dòng)n通道MOSFET中的門要簡(jiǎn)單。MOSFET選取時(shí)，V(BR)DSS的額定值要大于輸入電壓和輸出電壓的最大差值，而且要為瞬變量和尖峰信號(hào)預(yù)留一點(diǎn)的余量。選擇MOSFET時(shí)還要求額定ID(Max)至少是功率級(jí)電感器最大電流的兩倍。然而有很

9、多時(shí)候這還不是足夠的余量，還要考慮到MOSFET結(jié)的溫度，保證沒(méi)有超過(guò)范圍。 輸出二極管在功率開關(guān)關(guān)閉時(shí)導(dǎo)通，為電感器電流提供通路。在選擇整流器時(shí)要考慮的主要要素為：快速開關(guān)、擊穿電壓、額定電流、為降低功率損耗的低的正向電壓下降和合適的封裝。除非應(yīng)用場(chǎng)合確實(shí)需要用到高費(fèi)用和復(fù)雜的同步整流器，肖特基整流器通常是低壓輸出的最好解決方案。擊穿電壓必須大于輸入電壓和輸出電壓的最大差值，而且必須為瞬時(shí)值和尖峰預(yù)留一定的余量。額定電流要至少是功率級(jí)最大電流的兩倍。通常額定電流要遠(yuǎn)大于輸出電流，因?yàn)楣β屎徒Y(jié)溫度的限制決定了器件的選擇。二極管上的損耗主要由導(dǎo)通態(tài)二極管上的電壓降造成的，二極管上的功率

10、損耗可以由前向電壓和輸出負(fù)載電流的乘積來(lái)計(jì)算得。從導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)化為非導(dǎo)通態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)換損耗相比于傳導(dǎo)損耗來(lái)說(shuō)，非常小，通常忽略。通過(guò)這次電力電子仿真實(shí)驗(yàn)，我掌握了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路和方法。通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)開關(guān)電源有了更深刻的理解。其各模塊主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法和思路比較多，通過(guò)比較各模塊各個(gè)實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)的要求，選擇了比較適合的電路。 本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是采基本實(shí)現(xiàn)了任務(wù)要求并進(jìn)行了一些拓展。通過(guò)不同參數(shù)的設(shè)置與嘗試，電源的穩(wěn)定性好，響應(yīng)更快。本設(shè)計(jì)還有不足之處，理論上的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 通過(guò)對(duì)Boost和Buck-Boost電路建模，在MATLAB上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的正確，和理論性的可實(shí)現(xiàn)。在建模中采用多種實(shí)驗(yàn)方法