湖南工程学院直流降压斩波电路课程设计DOC.docx
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湖南工程学院直流降压斩波电路课程设计DOC
等级:
湖南工程学院应用技术学院
课程设计
课程名称电力电子技术
课题名称DC-DC变换电路分析
专业电气工程
班级
学号
姓名
指导教师李祥来
2014年月日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称:
电力电子技术
题目:
DC-DC变换电路分析
专业班级:
电气1184
学生姓名:
学号:
指导老师:
审批:
任务书下达日期2014年月日
设计完成日期2014年月日
设计内容与设计要求
一.设计内容:
1、分析研究DC-DC变换电路(Buck电路);
2、用MATLAB对设计的电路进行仿真;
3、根据仿真结果分析,电路各元件参数选择依据;
4、完成报告撰写。
二.设计要求:
1.设计思路清晰,给出各种情况下的整体设计框图;
2.给出具体设计思路和电路;
3.分析各电路的原理,并进行相应的仿真;
4.写出设计报告;
主要设计条件
1、可提供实验与仿真条件
说明书格式
1.课程设计封面;
2.任务书;
3.说明书目录;
4.每个电路总体思路,基本原理和框图;
5.驱动电路设计分析(驱动电路电路图);
6.电路实验、仿真等。
7.分析总结;
8.附录(完整电路图);
9.参考文献;
11、课程设计成绩评分表
前言
直流-直流变流电路(DC-DCConverter)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,包括直接直流变流电路和间接直流变流电路,直接直流变流电路也称斩波电路(DCChopper),它的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电,一般是指直接将直流电变为另一直流电,这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节,在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离,因此,也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
习惯上,DC-DC变换器包括以上两种情况,且甚至更多地指后一种情况。
直流斩波电路的种类较多,包括6种基本斩波电路:
降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,其中前两种是最基本的电路。
一方面,这两种电路应用最为广泛,另一方面,理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。
降压斩波电路(BuckChopper)的设计与分析是接下来课程设计的主要任务。
。
一.降压斩波电路
1.1降压斩波原理
降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如下图所示。
该电路使用一个全控器件V,图中为IGBT,也可使用其他器件,若采用晶闸管,需设置是晶闸管关断的辅助电路。
图中,在为V关断时给负载中的电感电流提供通道,设置了续流二极管VD。
斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中EM所示。
若负载中无反电动势时,只需令EM=0.以下的分析及表达式均可适用。
由图b中V的栅射电压UGE波形可知,在t=0时刻驱动V导通,电源E向载提供电,负载电压U0=E,负载电流I0按指数曲线上升。
负载电压的平均值,和负载电流的平均值:
式中
为V处于通态的时间;
为V处于断态的时间;T为开关周期;
为导通占空比,简称占空比或导通比。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路有三种控制方式:
1)保持开关周期T不变,调节开关导通时间
,称为PWM。
2)保持开关导通时间
不变,改变开关周期T,称为频率调制或调频型。
3)
和T都可调,使占空比改变,称为混合型。
1.2工作原理
1)t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升。
2)t=t1时刻控制V关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。
3)t=t2时刻,再次驱动V导通,重复上述过程。
●基于“分段线性”的思想,对降压斩波电路进行解析
●从能量传递关系出发进行的推导
●由于L为无穷大,故负载电流维持为Io不变
●电源只在V处于通态时提供能量,为E
●在整个周期T中,负载消耗的能量为(R
T+
T)
一周期中,忽略损耗,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等
输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器
该电路使用一个全控器件V,途中为IGBT,也可使用其他器件,若采用晶闸管,需设置晶闸管关断的辅助电路。
为在V关断时给负载的电感电流提供通道,设置了续流二极管VD。
斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机,也可以带蓄电池负载,两种情况均会出现反电动势。
1.3IGBT结构及原理
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
方法
IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。
较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。
导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。
如等效电路图所示(图1),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。
如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。
最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:
一个电子流(MOSFET电流);一个空穴电流(双极)。
关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。
在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。
这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。
少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:
功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。
因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。
二.直流斩波电路的建模与仿真
2.1IGBT驱动电路的设计
IGBT的驱动是矩形波,所以我选择了由比较器LM358产生矩形波。
图2.1.1LM358的引脚图
LM358简介:
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
图2.1.2比较器产生方波电路图
其中2、3口是输入口4、6接直流电源电压1为输出口。
2.2电路各元件的参数设定
1.IGBT的参数设定
图2.2.1IGBT的简化等效电路以及电气图形符号
术语
符号
定义及说明(测定条件参改说明书)
集电极、发射极间电压
VCES
栅极、发射极间短路时的集电极,发射极间的最大电压
栅极发极间电压
VGES
集电极、发射极间短路时的栅极,发射极间最大电压
集电极电流
IC
集电极所允许的最大直流电流
耗散功率
PC
单个IGBT所允许的最大耗散功率
结温
Tj
元件连续工作时芯片温厦
关断电流
ICES
栅极、发射极间短路,在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。
表2.2.2IGBT模块的术语及其说明
图2.2.3降压斩波电路电路图
图2.2.4降压斩波总电路图
由图3.2所示此次设计的电源电压为220V,当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为电源电压,因此UCE=220V。
图2.2.5IGBT的转移特性和输出特性
UGE(th)随温度的升高略有下降,温度每升高1°C,其值下降5mV左右。
在+25°C时,UGE(th)的值一般为2-6V。
参考电力电子技术课本可得:
式3.1
式3.2
式中,
;
;
。
若取
为10
,则:
2.续流二极管VD的参数设定
VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通时的电源电压100V。
所承受
的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流,此电流为
。
3.电感的参数设定
由于电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况,所以选择L的值为1
。
2.3元件型号选择
考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2-3倍峰值电压,所以额定电压可为440
-660
.额定电流33
-44
,二极管VD与其类似,VD的最大反向电压为220
。
选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600
,额定电流为40
。
选择续流二极管的型号为HFA25TB60,其而定电压为600
,额定电流为25
。
2.4仿真软件的介绍
此次仿真使用的是MATLAB软件。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.5仿真电路及其仿真结果
1.仿真电路图
图2.5.1降压斩波的MATLAB电路的模型
2.MATLAB的.仿真结果如下:
图2.5.2
=0.2时的仿真结果
图2.5.3
=0.4时的仿真结果
图2.5.4
=0.6时的仿真结果
图2.5.5
=0.8时的仿真结果
图2.5.6
=0.99时的仿真结果
2.6仿真结果分析
由公式
可得:
当
时,
=44
=0.4时,
=88
。
=0.6时,
=132
。
=0.8时,
=176
。
=0.99时,
=217.8。
上面的数据与理论值相同,由于使用的是仿真软件所以没有误差。
三.课设总结与体会
四.附录(完整电路图)
五.参考文献
进度安排
第1周星期一:
课题内容介绍和查找资料;
星期二:
熟悉基本直流斩波电路;
星期三:
分析直流斩波电路;
星期四:
分析直流斩波电路;
星期五:
设计直流斩波电路;
第2周星期一:
设计直流斩波电路;
星期二:
实验仿真、波形分析、参数计算等
星期三~四:
写设计报告,打印相关图纸;
星期五:
答辩及资料整理
参考文献
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[6].刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
[7].刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,1999
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高等教育出版社,1998:
451—459.
[9].薛永毅,王淑英,何希才,新型电源电路应用实例,电子工业出版社,2001.10
电气工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性(10%)
硬件设计或软件编程完成情况(10%)
硬件测试或软件调试结果*(10%)
设计说明书质量(10%)
设计图纸质量(10%)
答辩汇报的条理性和独特见解(10%)
答辩中对所提问题的回答情况(10%)
完成任务情况(10%)
独立工作能力(10%)
出勤情况(10%)
综合评分
指导教师签名:
________________
日期:
________________
注:
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。