電力電子課程設(shè)計報告

電力電子技術(shù)課程設(shè)計班級：學(xué)號：姓名：揚州大學(xué)水利與能源動力學(xué)院建筑電氣智能化二零一三年十二月Buck變換器研究引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。伴隨著人們對開關(guān)電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關(guān)電源成為研究趨勢。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，可拖動直流電動機或帶蓄電池負(fù)載等。BUCK降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點，同時促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。一.課程設(shè)計的目的與要求1進一步熟悉和掌握電力電子原器件的特性；2進一步熟悉和掌握電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理；3掌握電力電子電路設(shè)計的基本方法和技術(shù)，掌握有關(guān)電路參數(shù)的計算；4培養(yǎng)對電力電子電路的性能分析的能力；5培養(yǎng)撰寫研究設(shè)計報告的能力。通過對一個電力電子電路的初步設(shè)計，鞏固已學(xué)的電力電子技術(shù)課程的理論知識，提高綜合應(yīng)用能力，為今后從事電力電子裝置的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。二.仿真軟件的使用MATLABSimulink是TheMathWorks公司的產(chǎn)品，可在MATLAB環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真的模塊庫，其功能非常強大，可用于電力電子系統(tǒng)的仿真，模塊庫中提供了大量的電力電子模型。其具體使用方法和相關(guān)電力電子模型的建立、仿真等請參閱課程設(shè)計教材。三．Buck變換器工作原理BUCK電路圖降壓斬波電路（BuckChopper）的原理圖如上所示。該電路使用一個全控器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需要設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。在圖5中，為在V關(guān)斷時給負(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直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。若負(fù)載中無反電動勢時，只需令Em=0。電路的工作波形如下所示：電流連續(xù)時波形圖由圖6中的V的柵射電壓波形可知，在t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=時刻，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)且脈動小，通常串接L值很大的電感。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等。負(fù)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(dǎo)通占空比。由此式知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。負(fù)載電流的平均值為，若負(fù)載中的L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時刻，如圖7所示，負(fù)載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負(fù)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。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制。和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。本次設(shè)計電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。電流斷續(xù)時波形以上的電壓電流關(guān)系還可以從能量傳遞關(guān)系簡單地推得。由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為不變。電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為。從負(fù)載看，在整個周期T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為。一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即：則：與上述結(jié)論一致。在上述情況中，均假設(shè)L值為無窮大，且負(fù)載電流平直。在這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為，則有：其值小于等于負(fù)載電流，由上式得即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。如圖所示為Buck電路原理圖及其工作模式。Buck變換器工作模態(tài)分析[t0~t1][t1~t2][t0~t1]的主要工作波形[t1~t2]的主要工作波形在分析Buck變換器之前，做出以下假設(shè)：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當(dāng)電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個開關(guān)周期中，變換器有2種開關(guān)模態(tài)，其等效電路如圖所示，各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下：（1）開關(guān)模態(tài)0[t0~t1][t0~t1]對應(yīng)圖在t0時刻，開關(guān)管Q恰好開通，二極管D截止。此時：（式1）電感中的電流線性上升，式1可寫成：（式2）（2）開關(guān)模態(tài)1[t1~t2][t1~t2]對應(yīng)圖在t1時刻，開關(guān)管Q恰好關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通。此時：（式3）電感中的電流線性下降，式3可寫成：（式4）式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時，，聯(lián)解式2與式4可得：（式5）輸出電流平均值：五．電路參數(shù)討論主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定過程如下。1）對于電源，因為題目要求輸入電壓為20-30V，且連續(xù)可調(diào)。其直流穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計已在前面完成。所以該直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源。2）對于電阻，因為當(dāng)輸出電壓為15V時，輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負(fù)載電阻值為，可得到電路電阻應(yīng)該在。3)對于IGBT的選擇，由圖6易知當(dāng)IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為30V；而當(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流Ic>1A，反向擊穿電壓Bvceo>30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個要求。4)對于二極管的選擇，當(dāng)=1時，其承受最大反壓30V；而當(dāng)趨近于1時，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇額定電壓大于30V，額定電流大于1A的二極管。5)主電路的設(shè)計除了要選擇IGBT和二極管，還需要確定電感的參數(shù)，但電感參數(shù)的計算是非常復(fù)雜的，在此對電感不予計算，認(rèn)定電感值L很大。六．Buck變換器建模與仿真1)由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(BuckChop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置(1)直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源電壓為100V電阻、電容參數(shù)設(shè)置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脈沖發(fā)生器模塊的參數(shù)設(shè)置：Pulse的振幅設(shè)置為1V，周期為0.001s脈沖寬度分別為20%，50%和80%占空比50%下電感L為10^-5H，0.001H，10^4H(2)帶有反向電動勢的直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源電壓為100V,反向電動勢為10V，占空比50%電阻、電容參數(shù)設(shè)置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脈沖發(fā)生器模塊的參數(shù)設(shè)置：Pulse的振幅設(shè)置為1V，周期為0.001s2）運行仿真20%占空比50%占空比80%占空比占空比50%電感10^-4H占空比50%電感1H占空比50%電感10^4H帶有反向電動勢，占空比80%，反向電動勢為10V帶有反向電動勢，占空比50%，反向電動勢為25V帶有反向電動勢，占空比50%，反向電動勢為40V七．Buck變換器仿真結(jié)論得以驗證當(dāng)L值很小的時候，流過負(fù)載的電流是斷續(xù)的當(dāng)L值較小的時候，流過負(fù)載的電流是三角波型的當(dāng)L值很大的時候，流過負(fù)載的電流是連續(xù)的八．心得與體會通過緊張的一周積極準(zhǔn)備和不斷的嘗試，翻閱相關(guān)資料，以及在網(wǎng)上不斷的查找，終于完成了本次電力電子課程設(shè)計“BUCK變換器研究”的設(shè)計任務(wù)。在設(shè)計中，遇到了不少困難與問題，但最終在自己的努力和同學(xué)的幫助下都一一化解。可以說本次的課程設(shè)計，對自己來說，不僅是一次知識上的擴展，更是意志與信心上的一種鍛煉。這次的題目不僅僅要求設(shè)計一個簡單的BUCK電路，還需要你去認(rèn)真的去分析原理，了解各個器件所起的作用。在經(jīng)過翻閱資料和上網(wǎng)的查看學(xué)習(xí)，終于對各個部分都有了一定的了解之后，我開始嘗試去啟動matlab，畫出直流降壓斬波變換電路模型圖。在畫圖的過程中，免不了會產(chǎn)生問題，但最終在同學(xué)和老師的幫助下，完成了模型圖，并獲得了相應(yīng)的波形。雖然我沒能徹底掌握這些原理，卻讓我對這些內(nèi)容有了更深的了解。本次設(shè)計實現(xiàn)了BUCK變換器簡單的運用，對有關(guān)電力電子的知識有進一步的認(rèn)識與了解，拓展了相關(guān)軟件，也讓我對這門課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們努力嘗試，不輕言放棄的態(tài)度。對自己的綜合能力的提高起到很大的助力，相信這次經(jīng)歷對自己在今后的課程設(shè)計中有很大的幫助。九．課程設(shè)計參考書[1]電力電子電路的計算機仿真陳建業(yè)編著北京清華大學(xué)出版社2003[2]電路和系統(tǒng)的仿真實踐張占松編著北京科技出版