電力電子技術(shù)課程設(shè)計

1、摘 要高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛運用于基礎(chǔ)直流電源、交流電源、各種工業(yè)電源，通信電源、通信電源、逆變電源、計算機電源等。它能把電網(wǎng)提供的強電和粗電，它是現(xiàn)代電子設(shè)備重要的“心臟供血系統(tǒng)”。BUCK變換器是開關(guān)電源基本拓撲結(jié)構(gòu)中的一種，BUCK變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源；buck變換器IAbstract Has been widely used in the DC power supply, AC power supply, industry power s

2、upply of high frequency switching power supply, communication power supply, communication power supply, inverter power supply, computer power supply etc. It can provide high power and coarse grid electricity, it is an important system of modern electronic equipment "the blood flow to the heart&

3、quot;. BUCK converter is a switch for power supply the basic topology of BUCK converter, also called buck converter, a DC chopper for buck to input and output voltage, the output voltage is less than the input voltage, because of its variable function superior, therefore, it can be directly used for

4、 the need for direct step-down place.IIKeyword：regulated power supply；BUCK converterII目 錄摘要-Abstract-第1章 設(shè)計目的與要求-11、設(shè)計目的-12、設(shè)計要求-1第2章 主電路設(shè)計與元件參數(shù)選型-21、主電路設(shè)計-22、IGBT驅(qū)動電路簡介-33、元件參數(shù)選型-3第3章 系統(tǒng)建模與仿真-51、MATLAB仿真簡介-52、主電路建模-53、控制電路的實現(xiàn)-104、仿真中出現(xiàn)的問題以及解決方法-11第4章 仿真結(jié)果分析-14第5章 設(shè)計小結(jié)-15第六章 參考文獻-16第一章 設(shè)計目的與要求1、降壓斬波

5、電路的設(shè)計目的(1)、通過對降壓斬波電路（buck chopper）的設(shè)計，掌握buck chopper電路的工作原理，綜合運用所學知識，進行buck chopper電路和系統(tǒng)設(shè)計的能力。(2)、了解與熟悉buck chopper電路拓撲、控制方法。(3)、理解和掌握buck chopper電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設(shè)計方法，掌握元器件的選擇計算方法。(4)、具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。2、降壓斬波電路的設(shè)計要求(1)、計內(nèi)容: 對Buck Chopper電路的主電路和控制電路進行設(shè)計，參數(shù)如下：直流電壓E380V，反電動式E148V，輸出功率為5KW。(2)設(shè)

6、計要求(a)理論設(shè)計：了解掌握Buck Chopper電路的工作原理，設(shè)計Buck Chopper電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流,電壓額定的選擇，畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖、列出主電路所用元器件的明細表。(b)仿真實驗:利用MATLAB仿真軟件對Buck Chopper 電路主電路和控制電路進行仿真建模設(shè)計第2章 主電路設(shè)計與元件參數(shù)選型1、主電路設(shè)計降壓斬波電路主電路工作原理圖如下：圖一：降壓斬波電路主電路工作原理圖（1）t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓，負載電流按指數(shù)曲線上升。（2）t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指

7、數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。當電路工作穩(wěn)定時，負載電流在一個周期的初值和終值相等如圖2所負載電壓的平均值為： 式中，為V處于通態(tài)的時間，為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取Ｘ撦d電流的平均值為：若負載中L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時刻，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。2、IGBT驅(qū)動電路簡介IGBT 是三端器件，具有柵極G，集電極 C和發(fā)射極 E。它是個場控器件，通斷由柵射極電壓 Uge決定。Uge 大于開啟電壓Uge(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電

8、流，IGBT 導通。通態(tài)時電導調(diào)制效應使電阻 R減小，使通態(tài)壓降減小。當柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。一般IGBT的開啟電壓Uge（th）在 25度時為26V左右，而實際一般驅(qū)動電壓取1520V，且關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓，有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻有利于減小寄生振蕩，該電阻值應隨被驅(qū)動器件電流定額值的增大而減小。 圖二：IGBT結(jié)構(gòu)3、元件參數(shù)選型有題目知P=5000W，U=380V，E=0V，U2=48V，所以負載電阻R=22，占空比為12.6%，有頻率f=5KHZ，所以T=1/f=0.000

9、2S。由于反電動勢E=0所以m=Em/E=0。（1）IGBT的選擇：因為本電路設(shè)計的E=48V,因此根據(jù)P=5000W，U=104V，由于晶閘管安全域量可知所選IGBT的額定電壓與額定電流分別為200-300V、50A-100A。（2）柵極串聯(lián)電阻Rg的阻值：根據(jù)IGBT的選擇，由可知知R的值為10歐。（3）其他元器件的選擇標準如下：二極管額定電壓50V電流有：式中，（4） 電感取很大。第3章 系統(tǒng)建模與仿真1、MATLAB仿真簡介MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Si

10、mulink兩大部分。MATLAB的優(yōu)勢如下：（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境；（2）簡單易用的程序語言；（3）強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力；（4）出色的圖形處理功能；（5）應用廣泛的模塊集合工具箱；（6）實用的程序接口和發(fā)布平臺；（7）應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）。2、主電路建模（1）在simulink平臺下新建一個m文件（2） 根據(jù)主電路在matlab中搭建模塊圖三Scope增加引腳圖四根據(jù)原理圖，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，其中U=380V，PWM的占空比為12.6%（根據(jù)計算可得），電阻取值22歐姆，電感取值很大，搭建的matlab模型如下圖：圖五：占空比調(diào)節(jié)圖六：設(shè)置輸入信號大小圖七：設(shè)置電感值圖

11、八：設(shè)置電阻值圖九：設(shè)置g級電阻值圖十：仿真模型圖（3） 調(diào)試結(jié)果輸出電流I0波形圖輸出電壓U0波形圖3、控制電路的實現(xiàn)在本設(shè)計中，IGBT的驅(qū)動采用了東芝公司的TLP250芯片。TLP250前端最小導通電流為5mA，供電電壓為1035V，輸出電流可達1.5A，隔離電壓可達2500V，額定工作頻率為25KHz。據(jù)此，TlP250滿足設(shè)計要求，并且外圍電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。IGBT的驅(qū)動電路如圖所示。PWM信號輸入TLP250，然后，TLP250從G1和E1輸出IGBT的驅(qū)動信號，G1和E1分別接到IGBT的柵極和發(fā)射極。為了使IGBT可以加快關(guān)斷速度，使系統(tǒng)運行更加可靠，當IGBT關(guān)斷時，使

12、柵極和發(fā)射極之間為負電壓。在電路中，采用9V的穩(wěn)壓管Z1，供電電壓為24V。當前端輸入導通時，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生15V電壓，驅(qū)動IGBT導通；當前端輸入關(guān)斷時，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生負9V的電壓，加快了IGBT的關(guān)斷，保證了系統(tǒng)的可靠運行。4、仿真中出現(xiàn)的問題以及解決方法（1） 剛開始進去的時候沒有設(shè)置仿真參數(shù)，在查閱了相關(guān)的步驟以及相關(guān)的資料后，設(shè)置了算法參數(shù)、仿真的開始時間和停止時間，設(shè)置的算法為ob23tb算法。（2） 出現(xiàn)如圖所示的結(jié)果解決方法：在輸入信號加入一個simulink saturation模塊用于限制輸入值的范圍。（3） scope引腳的添加方法（4） The diagra

13、m must contain a powergui block. The block must be named powergui and should be located at the highest level of your diagram where SimPowerSystems blocks are found.和Error in 'untitled/Voltage Measurement': Initialization commands cannot be evaluated.解決方法：找個powergui加到模型中即可（該模塊位于SimPowerSystem

14、s模塊集的powerlib庫中，不同版本的組織形式可能有調(diào)整，找不到的話搜索一下）?？梢苑旁谀Ｐ偷娜我馕恢茫膊恍枰魏卧O(shè)置。（5） An error occurred while propagating data type 'boolean' from block 'mkkzq1/Subsystem/Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer/Fuzzy Logic Controller/FIS Wizard/Defuzzification1/Zero Strength (COA)', output port 1。解決方法：在

15、simulation /simulation parameter/advanced/boolean logic signals選擇off就可以了（6） matlab的.m文件保存的命名規(guī)則：1.文件名命名要用英文字符，第一個字符不能是數(shù)字或下劃線2.文件名不要取為matlab的一個固有函數(shù),m文件名的命名盡量不要是簡單的英文單詞，最好是由大小寫英文/數(shù)字/下劃線等組成。原因是簡單的單詞命名容易與matlab內(nèi)部函數(shù)名同名，結(jié)果會出現(xiàn)一些莫名其妙的錯誤。3、文件存儲路徑一定為英文4、m文件起名不能為兩個單詞，如three phase，應該寫成three_phase或者ThreePhase第4章

16、仿真結(jié)果分析1、仿真結(jié)果根據(jù)電壓電流的波形，首先由電壓的波形可知輸出電壓的平均值為4050V之間，而輸出的電流90100A之間，兩者的乘積接近5000W，滿足設(shè)計到要求。2、結(jié)果分析本實驗在基于Matlab環(huán)境下進行，實驗的結(jié)果和理論計算的結(jié)果相差不大，但相對于實際來講，可能會有很大的偏差，例如中間環(huán)節(jié)的PWM信號的產(chǎn)生，在實際的操作起來可能比就難以控制，需要選擇和合適的芯片，否則產(chǎn)生的諧波會對后期的波形產(chǎn)生干擾，還有就是一些器件的選型，在本報告中只是理論的計算，還需要參照更多的資料和論文來進行更為合適的選擇，對于最后的仿真結(jié)果和我們理論所計算的結(jié)果是相吻合的，真正的實現(xiàn)了buck電路的降壓功

17、能。而所有的這些占據(jù)最大的是IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計，這一步對整個電路的實現(xiàn)起著舉足輕重的作用，大的方面講，是需要一定的占空比來輸出我們的信號，但上升到小的方面，就要求我們對開關(guān)管設(shè)置一定的開關(guān)速度，并且是合適的，以達到我們所需要的結(jié)果。第5章 設(shè)計小結(jié) 做課程設(shè)計我們都感覺入手比較困難，因為它首先要求你對所學的知識都要弄懂，并且能將其聯(lián)系貫穿起來，因此課程設(shè)計是綜合性比較強的。這次的電力電子課程設(shè)計是我做的最辛苦的一次，主要的原因是這次試驗要求我們學習兩個從來就沒有接觸過的軟件。而且時間還是有那么緊。首先把設(shè)計任務搞清，接下來就是找相關(guān)資料，可以通過上圖書館和上網(wǎng)，然后對資料進行整理。找資料說起來好像很簡單，但真正做起來是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，要進行篩選甄別，所以這個過程中是要花費一些時間的，但這其中也拓展了你的知識面。書上原理性的東西與真正的動手操作還是有很大的區(qū)別的，要考慮很多因素，比如說，參數(shù)的選取和設(shè)定，這些對實驗結(jié)果是有很大的影響的。通過重溫教材知識和翻閱相應的資料，當然還有一部分要歸功于我的同學的幫助。通過這次課程設(shè)計我們掌握了一定的文檔的編排格式，這對于以后的畢業(yè)設(shè)計及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設(shè)