降壓直流斬波電路設(shè)計課程設(shè)計

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書</p><p>　　降壓直流斬波電路設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué)生姓名： 王惠民 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 董恒 職稱/學(xué)位 碩士 </p>

2、<p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： 自卓1301 </p><p>　　學(xué) 號： 1330940108 </p><p>　　完成時間： 2015年12月 </p><

3、;p>　　湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計課題任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè) </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系

4、統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。設(shè)計仿真通過matlab軟件中的Simulink模塊對設(shè)計的降壓斬波電路進(jìn)行仿真和計算的理論值進(jìn)行對比，誤差分析得出仿真結(jié)果與理論值基本一致。</p>&

5、lt;p>　　關(guān)鍵詞：直流斬波；降壓斬波；Matlab仿真</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 電路總體設(shè)計方案1</p><p>　　1.1 設(shè)計課題任務(wù)1</p><p>　　1.2 功能要求說明1</p><p>　　1.3 設(shè)計總體方案

6、和設(shè)計原理1</p><p>　　2 電路的設(shè)計3</p><p>　　2.1 整流濾波電路3</p><p>　　2.2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計4</p><p>　　3 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇6</p><p>　　3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定6</p><p>

7、;　　3.2 元件型號選擇8</p><p>　　4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論9</p><p>　　4.1 仿真軟件的介紹9</p><p>　　4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果10</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果分析12</p><p><b>　　心得體會13</b></

8、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　致 謝15</b></p><p>　　附錄 電子元器件表16</p><p>　　1 電路總體設(shè)計方案</p><p>　　1.1 設(shè)計課題任務(wù)</p><p>　　設(shè)

9、計一個直流降壓斬波電路。</p><p>　　1.2 功能要求說明</p><p>　　將24V直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為0-24V。</p><p>　　1.3 設(shè)計總體方案和設(shè)計原理</p><p>　　降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖1所示。該電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT。為在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提

10、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，也可拖動直流電動機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。</p><p>　　圖1 降壓斬波電路原理圖</p><p>　　如圖2中V的柵極電壓uGE波形所示，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uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)上升。</p><p>　　當(dāng)t=t1時刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，

11、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)且脈動小，通常是串聯(lián)的電感L值較大。</p><p>　　至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動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，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖2所示。</p><p><b>　　負(fù)載電壓平均值為</b></p><p><b>　　(1)<

12、/b></p><p>　　式中，ton為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。</p><p>　　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。</p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為</b></p>

13、<p><b>　　(2)</b></p><p>　　圖2 降壓斬波電路的工作波形</p><p><b>　　2 電路的設(shè)計</b></p><p>　　2.1 整流濾波電路</p><p>　　本設(shè)計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 對整流出來的電壓進(jìn)行

14、傅里葉變換得</p><p>　　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)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個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：</p><p>　　圖3 整流濾波電路原理圖</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈

15、/副線圈為1.1）后輸出200V、50Hz。當(dāng)同名端為正時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D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實現(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）。</

16、p><p>　　2.2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計</p><p>　　IGBT的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對關(guān)斷特性的影響

17、較大。</p><p>　　IGBT的驅(qū)動是矩形波，所以選擇了由比較器LM358產(chǎn)生矩形波。</p><p>　　圖4 LM358的引腳圖</p><p>　　LM358簡介：LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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

18、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算放大器的場合。</p><p>　　描述：運放類型:低功率</p><p><b>　　放大器數(shù)目:2</b></p><p><b>　　針腳數(shù):8</b></p><p>　　工作溫度范圍:0°C to -70°C&l

19、t;/p><p><b>　　封裝類型:SOIC</b></p><p>　　-3dB帶寬增益乘積:1.1MHz</p><p>　　變化斜率:0.6V/μs</p><p><b>　　器件標(biāo)號:358</b></p><p>　　電源電壓 最大:32V</p>

20、<p>　　電源電壓 最小:3V</p><p><b>　　安裝器件:表面安裝</b></p><p>　　圖5 比較器產(chǎn)生方波電路圖</p><p>　　其中2、3口是輸入口4、6接直流電源電壓1為輸出口。</p><p>　　3 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇</p><p&g

21、t;　　3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定</p><p>　　3.1.1 IGBT的參數(shù)設(shè)定</p><p>　　圖6 IGBT的簡化等效電路以及電氣圖形符號</p><p>　　表1 IGBT模塊的術(shù)語及其說明</p><p>　　圖7 降壓斬波電路電路圖</p><p>　　圖8 降壓斬波總電路圖</p&

22、gt;<p>　　由圖7所示此次設(shè)計的電源電壓為220V，當(dāng)二極管VD導(dǎo)通時V的C和E兩端承受的電壓為電源電壓，因此UCE=220V。</p><p>　　圖9 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性</p><p>　　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，UGE(th)的值一般為2-6V。</p>

23、<p>　　參考電力電子技術(shù)課本可得：</p><p>　　(3) (4)</p><p><b>　　式中，；；。</b></p><p><b>　　若取為10，則：</b></p><p>　　3.1.2 續(xù)流二極管VD的參數(shù)設(shè)定</p><p>

24、;　　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。</p><p>　　3.1.3 電感的參數(shù)設(shè)定</p><p>　　由于電感L要盡量大一些否則會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況，所以選擇L的值為1。</p><p>　　3.2 元件型號選擇</p><p>

25、;　　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。</p><p>　　選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600，額定電流為40。</p><p>　　選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，其額定電壓為600，額定電流為25。</p><

26、p>　　4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論</p><p>　　4.1 仿真軟件的介紹</p><p>　　此次仿真使用的是Matlab軟件。</p><p>　　Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(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

27、、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時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。 </p><p>　　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)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，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)

28、字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(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。</p><p>　　Simulink&am

29、p;reg;是用于動態(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)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、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、仿真、執(zhí)行和測試。.</p><p>　　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、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與Matlab&

30、reg; 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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。</p><p>　　4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果</p><p>　　4.2.1 仿真電路圖</p><p>　　圖10 降壓斬波的Matlab電路的模型</p><p>　　4.2.

31、2 Matlab仿真結(jié)果</p><p>　　設(shè)置仿真時間為0.08s。仿真波形如圖11,12,13,14,15所示。</p><p>　　圖11 =0.2時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖12 =0.4時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖13 =0.6時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖14 =0.8時的

32、仿真結(jié)果</p><p>　　圖15 =0.99時的仿真結(jié)果</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果分析</p><p><b>　　由公式可得：</b></p><p><b>　　當(dāng)時， =10</b></p><p>　　=0.4時， =20。</p>

33、<p>　　=0.6時， =30。</p><p>　　=0.8時， =40。</p><p>　　=0.99時，=49.5V。</p><p>　　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。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　回顧起此

34、次電力電子課程設(shè)計，感慨頗多，在這段時間里可以說是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計中學(xué)到了很多東西。從開始得到老師給定課題時的一臉茫然到老師講解后內(nèi)容的初步了解再到自己通過查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計并寫出這份課程報告，心中充滿了成就感。通過課程設(shè)計還拓寬了知識面，學(xué)到了很多課本上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設(shè)計還讓我

35、明白了理論聯(lián)系實際的重要性，只有通過實際的動手才能加深對于理論知識的理解。在做課程設(shè)計的過程中我發(fā)現(xiàn)自己對課本知識的理解不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會努力地溫習(xí)以前的知識。</p><p>　　經(jīng)過一段時間努力終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計，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。</p><p><b>　　遇到的問題和困難：</b><

36、/p><p>　　在計算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計算相應(yīng)的參數(shù)。</p><p>　　在選取元器件型號和參數(shù)時，缺少實際經(jīng)驗難以找到合適的元件。</p><p>　　在用Matlab軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達(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。</p><p><

37、;b>　　學(xué)到的知識：</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計我夯實了電力電子的基礎(chǔ)知識。</p><p>　　對直流斬波有了更深層次的理解。</p><p>　　對Matlab，proteus軟件和電路原理圖的設(shè)計有了初步了解。</p><p>　　在面對學(xué)習(xí)上的困難時一定要堅持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知

38、識。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[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</p><p>　　[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</p><p>　　[3] 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)

39、用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996</p><p>　　[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</p><p>　　[5] 邱關(guān)源，羅先覺. 電路.5版.北京.高等教育出版社，2006</p><p>　　[6] 曹開成，張丹，羅雪蓮.電路與電子技術(shù)實驗.長沙.中南大學(xué)出版社，2009</p><p&g

40、t;　　[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</p><p>　　[8] 石玉，栗書賢.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社，1998</p><p>　　[9] 浣喜明，姚為正. 電力電子技術(shù).高等數(shù)學(xué)出版社，2000</p><p>　　[10] 莫正康. 電力電子技術(shù)應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p>

41、<p>　　[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</p><p>　　[12] 劉立平主編. 電力電子技術(shù).北京.中國電力出版社，2007</p><p>　　[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</p><p>　　[14] 陳杰編著. Matlab寶典.北京.電子工業(yè)出版社，2007&l

42、t;/p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次課程設(shè)計能夠順利完成，首先要感謝董恒老師，是他上課細(xì)心的給我們講解了許多關(guān)于IGBT，二極管等電子元器件以及給我提到很多細(xì)節(jié)方面的知識給我們在課程設(shè)計時帶來很多的便利。導(dǎo)師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、崇高的敬業(yè)精神與為人師表的風(fēng)范，使我受益匪淺。在此，謹(jǐn)向董老師表示我最衷心的感謝。同時，在我的設(shè)計過程