湖南工程學(xué)院2014直流降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、等級(jí):湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 電力電子技術(shù) 課題名稱 DC-DC變換電路分析 專 業(yè) 電氣工程 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 李祥來(lái) 2014 年 月 日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課程名稱： 電力電子技術(shù) 題 目：DC-DC變換電路分析 專業(yè)班級(jí)： 電氣1184 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 審 批： 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2014年月日設(shè)計(jì)完成日期 2014年月日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、 分析研究DC-DC變換電路（Buck電路）；2、 用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真；3、 根據(jù)仿真結(jié)果分析，電路各元件參數(shù)選擇依據(jù)；4、 完成報(bào)告撰寫(xiě)。二 設(shè)計(jì)要求

2、：1 設(shè)計(jì)思路清晰，給出各種情況下的整體設(shè)計(jì)框圖；2 給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；3 分析各電路的原理，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真；4 寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告； 主要設(shè)計(jì)條件1、 可提供實(shí)驗(yàn)與仿真條件 說(shuō)明書(shū)格式1 課程設(shè)計(jì)封面；2 任務(wù)書(shū)；3 說(shuō)明書(shū)目錄；4 每個(gè)電路總體思路，基本原理和框圖；5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析（驅(qū)動(dòng)電路電路圖）；6 電路實(shí)驗(yàn)、仿真等。7 分析總結(jié)；8 附錄（完整電路圖）；9 參考文獻(xiàn)；11、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表前 言直流-直流變流電路（DC-DC Converter）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，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路，直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Ch

3、opper）,它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蛘呖烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，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，也稱為帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況，且甚至更多地指后一種情況。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，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，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他

4、的電路打下基礎(chǔ)。降壓斬波電路（Buck Chopper）的設(shè)計(jì)與分析是接下來(lái)課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。目錄一降壓斬波電路61.1 降壓斬波原理：61.2 工作原理71.3 IGBT結(jié)構(gòu)及原理7二 直流斬波電路的建模與仿真102.1IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)102.2電路各元件的參數(shù)設(shè)定102.3元件型號(hào)選擇102.4仿真軟件介紹102.5仿真電路及其仿真結(jié)果102.6仿真結(jié)果分析10三課設(shè)體會(huì)與總結(jié)21四附錄（完整電路圖）21五參考文獻(xiàn)21六課程設(shè)計(jì)成績(jī)表21一降壓斬波電路1.1 降壓斬波原理降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖及工作波形如下圖所示。該電路使用一個(gè)全控器件V，圖中為IGBT，

5、也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置是晶閘管關(guān)斷的輔助電路。圖中，在為V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中EM所示。若負(fù)載中無(wú)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需令EM=0.以下的分析及表達(dá)式均可適用。由圖b中V的柵射電壓UGE波形可知，在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向載提供電，負(fù)載電壓U0=E，負(fù)載電流I0按指數(shù)曲線上升。 負(fù)載電壓的平均值，和負(fù)載電流的平均值：式中為V處于通態(tài)的時(shí)間；為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取?根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同

6、，斬波電路有三種控制方式：1） 保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為PWM。2） 保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1.2 工作原理 1）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)曲線上升。2）t=t1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)小通常使串接的電感L值較大 。3）t=t2時(shí)刻，再次驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上述過(guò)程。l 基于“分段線性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析l 從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)l 由于L為無(wú)窮

7、大，故負(fù)載電流維持為Io不變l 電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為El 在整個(gè)周期T中，負(fù)載消耗的能量為（RT+T）一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器該電路使用一個(gè)全控器件V，途中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個(gè)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可以帶蓄電池負(fù)載，兩種情況均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。1.3 IGBT結(jié)構(gòu)及原理IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是

8、由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。方法IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造

9、成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。導(dǎo)通IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件。基片的應(yīng)

10、用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。 當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFET 電流)； 一個(gè)空穴電流(雙極)。關(guān)斷當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐

11、漸降低，這是因?yàn)閾Q向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。二 直流斬波電路的建模與仿真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

12、器LM358產(chǎn)生矩形波。圖2.1.1 LM358的引腳圖LM358簡(jiǎn)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模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)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(chǎng)合。圖2.1.2 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。2.2 電路各元件的參數(shù)設(shè)定1. IGBT的參數(shù)設(shè)定圖2.2.1 IGBT的簡(jiǎn)化等效電路以及電氣圖形符號(hào)術(shù)語(yǔ)符號(hào)定義及說(shuō)明（測(cè)定條件參改說(shuō)明書(shū)）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)

13、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IC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Tj元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈關(guān)斷電流ICES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2.2.2 IGBT模塊的術(shù)語(yǔ)及其說(shuō)明圖2.2.3 降壓斬波電路電路圖圖2.2.4 降壓斬波總電路圖由圖3.2所示此次設(shè)計(jì)的電源電壓為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=220V。圖2.2.5 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有

14、下降，溫度每升高1°C，其值下降5mV左右。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： 式 3.1 式 3.2式中，；。若取為10，則：2. 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)通時(shí)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。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。2.3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440-660.額定電流33-44，二極管VD與其類似，VD的

15、最大反向電壓為220。選擇IGBT的型號(hào)為IRG4PC40U其額定電壓為600，額定電流為40。選擇續(xù)流二極管的型號(hào)為HFA25TB60，其而定電壓為600，額定電流為25。2.4 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(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(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)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

16、軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(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。Simulink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(guò)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

17、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(duì)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(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。. 構(gòu)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® 緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)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(cè)試數(shù)據(jù)的定義。2.5仿真電路及其仿真

18、結(jié)果1.仿真電路圖圖2.5.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型2.MATLAB的.仿真結(jié)果如下：圖2.5.2 =0.2時(shí)的仿真結(jié)果圖2.5.3 =0.4時(shí)的仿真結(jié)果圖2.5.4 =0.6時(shí)的仿真結(jié)果圖2.5.5 =0.8時(shí)的仿真結(jié)果圖2.5.6 =0.99時(shí)的仿真結(jié)果2.6 仿真結(jié)果分析由公式可得：當(dāng)時(shí)，=44=0.4時(shí)，=88。=0.6時(shí)，=132。=0.8時(shí)，=176。=0.99時(shí)，=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(méi)有誤差。三課設(shè)總結(jié)與體會(huì)四.附錄（完整電路圖）五參考文獻(xiàn) 進(jìn) 度 安 排 第1周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二: 熟悉基本直流斬波電路； 星期三: 分析直流斬波電路；星期四: 分析直流斬波電路； 星期五: 設(shè)計(jì)直流斬波電路；第2周星期一: 設(shè)計(jì)直流斬波電路；星期二：實(shí)驗(yàn)仿真、波