电力电子降压斩波电路课程设计.doc

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《电力电子技术》课程设计说明书

直流降压斩波电路的设计与仿真

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

刘贝贝

指导教师：

胡小娣职称助教

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1305

学号：

1330120504

完成时间：

2016年6月

湖南工学院《电力电子技术》课程设计课题任务书

学院：

电气与信息工程学院专业：

电气工程及其自动化

指导教师

胡小娣

学生姓名

刘贝贝

课题名称

直流降压斩波电路的设计与仿真

内容及任务

一、设计任务

设计一个直流降压斩波电路

二、设计内容

1、主电路的设计、原理分析和器件的选择

2、控制电路的设计

3、保护电路的设计

4、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真

5、系统总图为标准的三号CAD图

三、设计要求

1、直流输入电压100V；

2、电阻负载；（R=40Ω）；

3、控制电路频率10KHZ

4、输出电压纹波系数：

0.2%；

5、仿真出占空比α分别为0.1，0.2，0.5，0.8的电感电压、电感电流、开关管电流、二极管电流和输出电压的波形。

主要参考资料

[1]王兆安.电力电子技术[M].第5版.北京：

机械工业出版社，2009.5.

[2]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].电子工业出版社.2005

[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].机械工业出版社.2006

[4]钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社[M].2010

[5]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京:

中国电力出版社,2006

教研室

意见

教研室主任：

年月日

摘要

直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路.直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。

全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。

关键字：

直流斩波，降压斩波

ABSTRACT

DCchopperasDCintoanotherfixedvoltageDCvoltageoradjustableinDCconverter,andDC-regenerativepowertransmissionsystem,chargingcircuit,switchpower,powerelectronicsdeviceandallsortsofelectricalequipmenttransformationinordinaryapplication.Thenappearedsuchasstep-downchopper,boosterchopper,liftpressurechoppercompositechopper,etc..thecommutationcircuitDCchoppertechnologyhasbeenwidelyusedinswitchingpowersupplyandDCdriver,makeitssmoothaccelerationcontrol,andobtainthefastresponse,managingelectricenergyeffect.All-controllingpowerelectronicsdeviceIGBTintractionpowertransmissionandtransformationofpowertransmissionandactivefilteretcwidelyapplication.

Keywords:

DCchopping;Buckchopper 

II

目录

绪论 1

1设计意义及要求 2

1.1设计意义 2

2方案设计分析 2

2.1方案确定 2

3主电路与控制电路设计 3

3.1主电路设计 3

3.2控制电路设计 5

4驱动电路与保护电路设计 9

4.1驱动电路设计 9

4.2保护电路设计 11

5通过MATLAB仿真 14

5.1MATLAB软件简介 14

5.2电路仿真 14

结束语 18

参考文献 19

谢辞 20

附录A原理图 21

附录B系统总图 22

绪论

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

直流斩波电路（DCChopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DCConverter），直流斩波电路（DCChopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

而直流斩波器（DCChopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。

也称为直接直流-直流变换器（DC/DCConverter）。

它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。

直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。

直流传动、开关电源是斩波电路应用的两个重要领域，是电力电子领域的热点。

全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。

目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。

前者是斩波电路应用的传统领域后者则是斩波电路应用的新领域。

直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：

降压斩波器（BuckChopper）、升压斩波器（BoostChopper）、升降压斩波器（Boost-BuckChopper）、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。

因此，课程设计的选题为：

设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。

1设计意义及要求

1.1设计意义

整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。

其交流侧由三相电源供电。

三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。

设计条件：

1.电源电压：

三相交流U2：

100V/50Hz

2.输出功率：

500W

3.触发角

4.阻感负载

根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。

设计内容包括：

1.整流变压器额定参数的计算

2.晶闸管电流、电压额定参数选择

3.触发电路的设计

降压斩波电路设计要求：

1、输入直流电压：

Ud=100V

2、开关频率5KHz

3、输出电压20V

4、最大输出电流：

20A

5、L=100mH

6、输出功率：

400W

7、占空比，，，，

2方案设计分析

2.1方案确定

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

根据降压斩波电路设计任务要求设计结构框图如图2.1所示。

图2.1降压斩波电路结构框图

在图2.1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。

控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。

3主电路与控制电路设计

3.1主电路设计

3.1.1主电路方案

根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。

这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。

而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。

至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

3.1.2工作原理

根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图3.1所示：

图3.1主电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。

用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。

电路工作时波形图如图3.2所示：

图3.2降压电路波形图

当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。

至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。

当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为

为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。

通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比α，则随之减小。

由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电