降壓直流斬波電路

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：降壓直流斬波電路院（系）：專業(yè)班級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：教育資料摘要直流-直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流 電，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡?這種情況下輸入與輸出之間不隔離。 間接直流 變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)， 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí) 現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流 -直流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波

2、電路，升壓 斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路， 利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。關(guān)鍵字：直流斬波，降壓斬波第1章電路總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說明將24V直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為 0-24V。1.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖 1.1所示。該電路使用一個(gè)全控型 器件V,圖中為IGBT。為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VQ

3、斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄 電池負(fù)載等。圖i.i降壓斬波電路原理圖如圖1.2中V的柵極電壓Ug成形所示，在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向 負(fù)載供電，負(fù)載電壓Uo=E,負(fù)載電流io按指數(shù)上升。當(dāng)t=ti時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為 零負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常是串聯(lián)的電感 L值較大。至一個(gè)周期T結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)工作處于穩(wěn)態(tài) 時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等， 如圖1.2所示。負(fù)載電壓平均值為式1.1tont on - 一 lUo =E =E = - Et on t

4、off T式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間；toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；支 為導(dǎo)通占空比。由式1.1可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值 Uo最大為E,減小占空比a , Uo隨 之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也稱 buck變換器。負(fù)載電流平均值為Uo -EmRb）電流連續(xù)時(shí)的波出圖1.2降壓斬波電路的工作波形第2章電路的設(shè)計(jì)2.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)是矩形波，所以我選擇了由比較器 LM358產(chǎn)生矩形波圖2.1 LM358的引腳圖LM35騎介：LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放 大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作

5、模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、 直 流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。描述：運(yùn)放類型：低功率放大器數(shù)目:2針腳數(shù):8工作溫度范圍:0 ° C to -70 0 C 封裝類型:SOIC-3dB帶寬增益乘積：1.1MHz變化斜率:0.6V/ pS器件標(biāo)號(hào):358電源電壓最大:32V電源電壓最小:3V安裝器件：表面安裝圖2.2比較器產(chǎn)生方波電路圖其中2、3 口是輸入口 4、6接直流電源電壓1為輸出口第3章電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇3.1各元件的參數(shù)設(shè)定1 . IGBT的參數(shù)設(shè)定圖3.1 IGBT的簡化等效電路以

6、及電氣圖形符號(hào)術(shù)語符號(hào)定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極問 電壓VCES柵極、發(fā)射極間短路時(shí)的集電極，發(fā)射極間的 最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時(shí)的柵極，發(fā)射極間最 大電壓集電極電流I C集電極所允許的最大直流電流耗散功率PC單個(gè)IGBT所允許的最大耗散功率結(jié)溫T元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈關(guān)斷電流I CES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加 上指定的電壓時(shí)的集電極電流。表3.1 IGBT模塊的術(shù)語及其說明圖3.2降壓斬波電路電路圖由圖3.2所示此次設(shè)計(jì)白電源電壓為 220V,當(dāng)二極管VD導(dǎo)通時(shí)V的C和E 兩端承受的電壓為電源電壓，因此 UCe=220U圖3.4

7、 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGe隨溫度的升高略有下降，溫度每升高1° C,其值下降5m%右。在 +25° C時(shí)，UGE（th）的值一般為 2-6V。參考電力電子技術(shù)課本可得：Iminet1/ -1)E Em eT/ -1 R R式3.1Imax1 -e)R-EmJ -e、E二 K-m)R式3.2式中，P=T/t； m = Em / E ； 11/= T =T若取R為10復(fù)，則：max= 220/R =22A2 .續(xù)流二極管VD的參數(shù)設(shè)定VD所承受的最大反向電壓是當(dāng)IGBT導(dǎo)通是的電源電壓100V。所承受 的最 大電流是當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬間電感L作用在VD上的電流，此電流為

8、Imax=22A。 3.電感的參數(shù)設(shè)定由于電感L要盡量大一些否則會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況，所以選擇 L的值為1 mH 。3.2元件型號(hào)選擇考慮其安全裕度則IGBT的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓 可為440V-660 V.額定電流33A-44A,二極管VD與其類似，VD的最大反向電 壓為220V。選擇IGBT的型號(hào)為IRG4PC40U額定電壓為600V ,額定電流為40 Ao選擇續(xù)流二極管的型號(hào)為 HFA25TB60其而定電壓為600V ,額定電流為25 A。第4章系統(tǒng)仿真及結(jié)論4.1 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLA歆件。Simulink是MATLA最重要的組件之一，它

9、提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和 綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀 的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink 。Simulink是MATLA中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB勺框圖 設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性 系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simul

10、ink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。 為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI),這個(gè)創(chuàng)建過程只 需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且 用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的 設(shè)計(jì)工具。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理 系統(tǒng),Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿 真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)

11、架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink多領(lǐng)域建模功能， 也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問 MATLABt量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可 視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果1.仿真電路圖gO 0 2-4E圖4.1<修 COP6降壓斬波的MATLABfe路的模型2MATLAB勺.仿真結(jié)果如下:圖4.2 a =0.2時(shí)的仿真結(jié)果圖4.3 a =0.4時(shí)的仿真結(jié)果圖4.4 a =0.6時(shí)的仿真結(jié)果圖4.5 a =0

12、.8時(shí)的仿真結(jié)果圖4.6 =0 =0.99時(shí)的仿真結(jié)果4.3仿真結(jié)果分析由公式Uo = tontontoffE =t°LE =讓可得:T當(dāng) 口= 0.2時(shí)，UO=44Va =0.4 時(shí)，U°=88V。a =0.6 時(shí)，Uo=132V。a =0.8 時(shí)，UO=176V。a =0.99 時(shí)，U o=217.8。上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差第5章心得體會(huì)經(jīng)過近一個(gè)星期的努力我終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計(jì)，其中遇到了許多的問題和困難但是也學(xué)到了很多的知識(shí)。遇到的問題和困難：(1)在計(jì)算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)。(2)在選

13、取元器件型號(hào)和參數(shù)時(shí)，缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)難以找到合適的元件。(3)在用MATLA歆件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費(fèi)的很多 時(shí)間才達(dá)到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學(xué) 習(xí)解決了這些難題。學(xué)到的知識(shí)：(1)通過這次課程設(shè)計(jì)我夯實(shí)了電力電子的基礎(chǔ)知識(shí)。(2)對直流斬波有了更深層次的理解。(3)對MATLA歆件和電路原理圖的設(shè)計(jì)有了初步了解。(4)在面對學(xué)習(xí)上的困難時(shí)一定要堅(jiān)持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多 以的知識(shí)。參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).5版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.52 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.5版.北京.高等教育出版社，2006.13 邱關(guān)源，羅先覺.電路.5版.北京.高等教育出版社，2006.54 曹開成，張丹，羅雪蓮.電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn).長沙.中南大學(xué)出版社，2009對于這次課程設(shè)計(jì)的順利完成，我首先要感謝曹志平老師，是他上課細(xì)心 的給我講解了許多關(guān)于IGBT,二極管等電子元器件的相關(guān)知識(shí)并在設(shè)計(jì)過程中 所遇到的難題都給了非常重要的意見，導(dǎo)師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、崇高 的敬業(yè)精神與為人師表的風(fēng)范，使我受益匪淺，在此，