電力電子課程設(shè)計報告--全橋直流變換器的設(shè)計與仿真

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計</p><p>　　設(shè)計題目：全橋直流變換器的設(shè)計與仿真</p><p>　　年級專業(yè)：　2010級電氣工程與自動化　</p><p>　　學(xué)生姓名：　　　 　　　　　　　　</p><p>　　學(xué)　　號：　　　20104263　　　　　　</p><p>　　成績評定：　　

2、　　　　　　　　　　　</p><p>　　完成日期：2013年6月 23日</p><p>　　電力電子課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電力電子課程設(shè)計的目的在于進一步鞏固和加深所學(xué)電力電子基本理論知識。使學(xué)生能綜合運用相關(guān)關(guān)課程的基本知識，通過本課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考

3、能力，學(xué)會和認識查閱和占有技術(shù)資料的重要性，了解專業(yè)工程設(shè)計的特點、思路、以及具體的方法和步驟，掌握專業(yè)課程設(shè)計中的設(shè)計計算、軟件編制，硬件設(shè)計及整體調(diào)試。通過設(shè)計過程學(xué)習(xí)和管理，樹立正確的設(shè)計思想和嚴(yán)謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，以期達到提高學(xué)生設(shè)計能力。</p><p>　　本次課題為全橋直流變換器的設(shè)計與仿真，使用了全控器件IGBT，能將直流信號轉(zhuǎn)換成變壓的直流信號，其作用相當(dāng)于一個變壓器。一般的變壓器是由交流電壓不過變比

4、能很方便的通過控制IGBT的驅(qū)動信號占空比來控制，而且能有濾波的功能。</p><p>　　全橋直流變換器集PWM技術(shù)和諧振技術(shù)于一體，具有體積小、重量輕、效率高的特點，特別適合中大功率應(yīng)用場合，然后對其工作原理的分析。本次課程設(shè)計就是基于對全橋直流變換器的設(shè)計與仿真練習(xí)，達到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考解決問題的能力。</p><p><b>　　正文</b></p>

5、;<p><b>　　1.引言</b></p><p><b>　　1.1問題的提出</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電力電子技術(shù)在現(xiàn)代社會生產(chǎn)中占據(jù)著非 常重要的地位，電力電子技術(shù)應(yīng)用在是生活中可以說得是無處不在如果把計算 機控制比喻為人的大腦，電磁機械等動力機構(gòu)喻為人的四肢的話，則電力電子 技

6、術(shù)則可喻為循環(huán)和消化系統(tǒng)，它是能力轉(zhuǎn)化和傳遞的渠道。因此作為二十一 世紀(jì)的電氣專業(yè)的學(xué)生而言掌握電力電子應(yīng)用技術(shù)十分重要。全橋DC/DC變換 器是可雙象限運行的直流-直流變換器。隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展,對全橋DC/DC 變換器的需求逐漸增多,主要有直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動汽 車等應(yīng)用場合。在需要能量雙向流動的場合,全橋DC/DC變換器的應(yīng)用可大幅 度減輕系統(tǒng)的體積重量和成本,有重要的研究價值。</p

7、><p>　　1.1.1什么是直流-直流變換器的功能？</p><p>　　直流-直流變換器就是將直流電變?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。</p><p>　　1.1.2直流-直流變換器有哪些應(yīng)用？</p><p>　　直流-直流變換器廣泛應(yīng)用于遠程及數(shù)據(jù)通信、計算機、辦公自動化 設(shè)備、 工業(yè)儀

8、器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)今世界軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)得變化和飛躍。美國 VICOR公司設(shè)計制造得多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，最大輸出功率有300W、 600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（80—90） %。日本NemicLambda公司最新

9、推出得一種采用軟開關(guān)技術(shù)得高頻開關(guān)電源模 塊RM系列，其開關(guān)頻率為200—300KHz,功率密度已達27W/cm3，采用同步整 流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。直流斬波 電路的應(yīng)用非常廣，但在實際產(chǎn)品中應(yīng)用時也存在一些問題：首先電源系統(tǒng) 本身的耗能元件如電源內(nèi)阻、濾波器阻抗、連接導(dǎo)線及接觸電阻等都會引起 系統(tǒng)損耗?？煽匦推骷蘒GBT的柵極電阻Rg會隨著驅(qū)動器件電流額定值的增

10、 大而減小，而柵極電阻Rg的變化又會對電路的性能產(chǎn)生影響。以及驅(qū)動電路 如何實現(xiàn)過電流電壓保護問題。</p><p><b>　　全橋電路的工作原理</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　全橋電路中的逆變電路由四個開關(guān)組成，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通， 而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通

11、，將直流電壓逆變成幅值為Ui的交流電 壓，加在變壓器一次測。改變開關(guān)的占空比，就可以改變整流電壓Ud的平均 值，也就改變了輸出電壓Uo。</p><p>　　當(dāng)IGBT1和IGBT4開通后，二極管VD1、VD4處于通態(tài)，電感的電流逐漸上升；IGBT2與IGBT3開通后，二極管VD3和VD2處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)四個開關(guān)都關(guān)斷時，四個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降

12、。IGBT1和IGBT2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。</p><p>　　如果IGBT1、IGBT4與IGBT2、IGBT3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓中將含有直流分量，會在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和。因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生。也可以在一次側(cè)賄賂串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。</p><p>　　為了避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)在換流的過程中發(fā)生

13、短暫的同時導(dǎo)通現(xiàn)象而損壞開關(guān)，每隔開關(guān)各自的占空比不能超過0.5，并應(yīng)保留裕量。</p><p>　　當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時，有</p><p>　　如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓將高于式（5-55）的計算值，并隨負載的減小而升高，在負載為零的極限情況下，</p><p>　　電路圖參數(shù)設(shè)計及仿真</p><p><b>　　3.1

14、開環(huán)電路</b></p><p>　　3.1.1開環(huán)電路圖設(shè)計</p><p>　　開環(huán)電路圖如下圖所示：</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　圖中各元件的參數(shù)設(shè)置說明如下。</p><p>　　VDC1：380V直流電壓源，根據(jù)設(shè)計要求；</p>

15、<p>　　VSQ1: 幅值1V，頻率100000HZ，占空比為0.33，相角延遲60度的矩形波脈沖發(fā)生器；</p><p>　　VSQ2: 幅值1V，頻率100000HZ，占空比為0.33，相角延遲240度的矩形波脈沖發(fā)生器；</p><p>　　TI1：按輸出電壓與輸入的比值Uo:Ui=0.33*(n1:n2)得一次測與二次側(cè) 線圈繞組匝數(shù)比為n1:n2=380：7

16、2.7；</p><p>　　L=0.00005H，此數(shù)值是經(jīng)過實驗得到的，能將超調(diào)量調(diào)到適當(dāng)；</p><p>　　C=0.00005F，此數(shù)值是經(jīng)過實驗得到的，能保證輸出電壓的平穩(wěn)性；</p><p>　　R=2.304歐姆，由R=(U^2)/P求得；</p><p>　　其輸出電壓由Uo測得。</p><p>&

17、lt;b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　結(jié)果分析：仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計要求（輸出電壓48V，功率為1000w）</p><p>　　3.1.2 負載跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></

18、p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　電路圖4各參數(shù)說明: 與原電路圖2相比，負載增加了并聯(lián)電阻R’，阻值為1歐姆。與之串聯(lián)的IGBT的驅(qū)動電壓由延遲時間為0.003秒（此時原電路圖2已進入穩(wěn)態(tài)）的階躍信號提供。其輸出電壓波形如下。</p><p><b>　　圖5</b></p><p

19、>　　結(jié)果分析：可以看到在0.003s時，負載突變會給輸出造成較大的影響 波動。</p><p>　　3.1.3 電源跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　電路圖6各參數(shù)說明：與原電路圖2相比，電

20、源增加了一個幅值為100v， 延遲時間為0.003s的階躍信號，從而實現(xiàn)電源跳變。仿真結(jié)果如圖7。 </p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　結(jié)果分析：可以看到在0.003s時，由于電源的突變，電路輸出最后穩(wěn) 定在62v左右。輸出電壓幅值誤差已達（62-48）/48=0.29，已經(jīng)不符要求。</p><p>&l

21、t;b>　　3.2閉環(huán)電路</b></p><p>　　3.2.1閉環(huán)電路的設(shè)計</p><p>　　加入pi調(diào)節(jié)器可以有效的控制輸出的穩(wěn)定性。根據(jù)pi調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，結(jié)合本電路圖可知在pi調(diào)節(jié)器的輸出端應(yīng)該接能控制開關(guān)的器件，即比較 器。比較器另一端接三角波信號。三角波峰峰值為1v，頻率為100000HZ，占空比0.5。Pi調(diào)節(jié)器的參數(shù)是經(jīng)過實驗的到的適當(dāng)值，k=0.00

22、03，t=0.0001s。得到電路圖如下：</p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果： </b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　結(jié)論：粗略來看，加入pi調(diào)節(jié)器的電路后，系統(tǒng)快速性很好，而且不會有超調(diào)量。&l

23、t;/p><p>　　3.2.2 負載跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　電路圖10各參數(shù)說明: 與原閉環(huán)電路圖8相比，負載增加了并聯(lián)電阻 R’，阻值為1歐姆。與之串聯(lián)的IGBT的驅(qū)動電壓由延遲時間為0

24、.003秒（此時原電路圖2已進入穩(wěn)態(tài)）的階躍信號提供。其輸出電壓波形如下。</p><p><b>　　圖11 </b></p><p>　　3.1.3 電源跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖12</b></p

25、><p>　　電路圖12各參數(shù)說明：與原閉環(huán)電路圖8相比，電源增加了一個幅值為100v，延遲時間為0.003s的階躍信號，從而實現(xiàn)電源跳變。仿真結(jié)果如圖13。</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　結(jié)果分析：可以看到在0.003s時，由于電源的突變，電路輸出最后穩(wěn) 定在48v左右。輸出電壓幅值誤差為0，仍然符合要求

26、。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　自動控制系統(tǒng)是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī) 律或預(yù)定程序進行的控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化的主要手段。在 開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都 比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中，基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統(tǒng)；由順序控制裝置、檢測

27、元件、執(zhí)行機構(gòu)和被控工業(yè)對象所組成。主要應(yīng)用于機械、化工、物料裝卸運輸?shù)冗^程的控制以及機械手和生產(chǎn)自動線。閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統(tǒng)進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。工程上常常從穩(wěn)態(tài)性、快速性和穩(wěn)定精度三個方面來評估自控系統(tǒng)的性能。與開環(huán)系統(tǒng)相比較加入pi調(diào)節(jié)器的電路后，系統(tǒng)快速性很好，而且不會有超調(diào)量。當(dāng)負載有跳變時，開環(huán)的新穩(wěn)定值大大的改變了，而閉環(huán)系統(tǒng)能經(jīng)過

28、自動調(diào)節(jié)，重新回到了要求值?？梢姡]環(huán)系統(tǒng)優(yōu)越性更好。</p><p>　　兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知 識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向

29、社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)．</p><p>　　通過這次模具設(shè)計，本人在多方面都有所提高。通過這次模具設(shè)計，綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行一次冷沖壓模具設(shè)計工作的實際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴充

30、了冷沖壓模具設(shè)計等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握冷沖壓模具設(shè)計的方法和步驟，掌握冷沖壓模具設(shè)計的基本的模具技能懂得了怎樣分析零件的工藝性，怎樣確定工藝方案，了解了模具的基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨立思考的能力也有了提高。</p><p>　　在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計模具的能力以及綜合運用知識的能 力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中

31、發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。</p><p>　　在此感謝我們的xx老師.，老師嚴(yán)謹細致、一絲不茍的作風(fēng)一直是 我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設(shè)計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導(dǎo)。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計。同時感謝對我?guī)椭^的同學(xué)們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友

32、誼。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 許大宇，阮新波，嚴(yán)仰光，對移相控制零電壓開關(guān)PWM全橋直流變換器的新型理論分析方法，電機與控制學(xué)報，2003，7(2)：112-117</p><p>　　[2] 鄭連清，朱軍，婁洪立，何立新，新型零電流轉(zhuǎn)換移相全橋DC/DC變換器，電力自動化設(shè)備，2008