降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)-課程設(shè)計(jì)

降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書 降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：董恒職稱/學(xué)位碩士專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣本1202學(xué)號(hào)：1230140227完成時(shí)間：2015年6月湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)指導(dǎo)教師董恒學(xué)生姓名龍中輝課題名稱降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)降壓直流斬波電路，已知交流電源：單相220V，前級(jí)整流輸出電壓限制在50V以內(nèi)，斬波輸出電流最大值2A，純電阻負(fù)載，斬波輸出直流電壓在10～40V可調(diào)。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡述；2、主電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計(jì)；4、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5、利用Matlab軟件對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。主要參考資料[1]王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第5版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012[2]黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991[3]李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996教研室意見教研室主任：（簽字）年月日摘要直流-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@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)鍵詞：直流斬波；降壓斬波；Matlab仿真目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1電路總體設(shè)計(jì)方案 11.1設(shè)計(jì)課題任務(wù) 11.2功能要求說明 11.3設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理 12電路的設(shè)計(jì) 32.1整流濾波電路 32.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 43電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號(hào)選擇 63.1各元件的參數(shù)設(shè)定 63.2元件型號(hào)選擇 84系統(tǒng)仿真及結(jié)論 94.1仿真軟件的介紹 94.2仿真電路及其仿真結(jié)果 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VD。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1降壓斬波電路原理圖如圖2中V的柵極電壓uGE波形所示，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=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2所示。負(fù)載電壓平均值為 (1)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；為導(dǎo)通占空比。由式（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，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 (2)圖2降壓斬波電路的工作波形2電路的設(shè)計(jì)2.1整流濾波電路本設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路.對整流出來的電壓進(jìn)行傅里葉變換得由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用LC低通濾波器（通過串聯(lián)一個(gè)電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel原理圖如圖3所示：圖3整流濾波電路原理圖輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為1.1）后輸出200V、50Hz。當(dāng)同名端為正時(shí)D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時(shí)D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個(gè)電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個(gè)大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V）。2.2IGBT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4LM358的引腳圖LM358簡介：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°Cto-70°C封裝類型:SOIC-3dB帶寬增益乘積:1.1MHz變化斜率:0.6V/μs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5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。3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3.1.1IGBT的參數(shù)設(shè)定圖6IGBT的簡化等效電路以及電氣圖形符號(hào)表1IGBT模塊的術(shù)語及其說明術(shù)語符號(hào)定義及其說明（測定條件參改說明）集電極、發(fā)射極間電壓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、在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時(shí)的集電極電流圖7降壓斬波電路電路圖圖8降壓斬波總電路圖由圖7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9IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有下降，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： (3) (4)式中，；；。若取為10，則：3.1.2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。3.1.3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。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440-660.額定電流33-44，二極管VD與其類似，VD的最大反向電壓為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，其額定電壓為600，額定電流為25。4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)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Matlab大量的工具來進(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4.2.1仿真電路圖圖10降壓斬波的Matlab電路的模型4.2.2Matlab仿真結(jié)果設(shè)置仿真時(shí)間為0.08s。仿真波形如圖11,12,13,14,15所示。圖11=0.2時(shí)的仿真結(jié)果圖12=0.4時(shí)的仿真結(jié)果圖13=0.6時(shí)的仿真結(jié)果圖14=0.8時(shí)的仿真結(jié)果圖15=0.99時(shí)的仿真結(jié)果4.3仿真結(jié)果分析由公式可得：當(dāng)時(shí)，=10=0.4時(shí)，=20。=0.6時(shí)，=30。=0.8時(shí)，=40。=0.99時(shí)，=49.5V。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幾乎沒有誤差?？偨Y(jié)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：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)。在選取元器件型號(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。在用Matlab軟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)：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)。對直流斬波有了更深層次的理解。對Matlab軟件和電路原理圖的設(shè)計(jì)有了初步了解。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，2012[2]黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991[3]李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996[4]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[5]邱關(guān)源，羅先覺.電路.5版.北京.高等教育出版社，2006[6]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[7]王兆安，黃俊主編.電力電子技術(shù)4版.機(jī)械工業(yè)出版社[8]石玉，栗書賢.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社，1998[9]浣喜明，姚為正.電力電子技術(shù).高等數(shù)學(xué)出版社，2000[10]莫正康.電力電子技術(shù)應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2000[11]鄭瓊林，耿學(xué)文.電力電子電路精選.機(jī)械工業(yè)出版社，1996[12]劉立平主編.電力電子技術(shù).北京.中國電力出版社，2007[13]曲永印主編.電力電子技術(shù).北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2013[14]李先允主編.電力電子技術(shù).北京.中國電力出版社，2006[15]陳杰編著.Matlab寶典.北京.電子工業(yè)出版社，2007致謝對于這次課程設(shè)計(jì)的順利完成，我首先要感謝董恒老師，是他上課細(xì)心的給