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
[1]．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
[2]．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
[3]．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
[4]．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
[5]．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
[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
[8]．康华光,陈大钦．电子技术基础[M]．北京：
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）。
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