直流斩波电路的仿真分析与实现Word格式.docx
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5）要求负载为具有反电动势的阻感负载；
6）改变功率开关器件的导通占空比，得出正确的斩波波形（要求至少取3组数据，且数据具有广泛的代表性）；
7）通过分析仿真波形，总结仿真波形与教材理论波形的区别与联系；
8）改变负载中R和L值，要求至少取三组以上数值，并分别仿真得出斩波波形，并分析波形；
9）分别改变电源电压、反电动势的数值，分析其对输出波形的影响；
10）撰写课程设计说明书；
11）如有说明书结果雷同的情况，成绩按最低分处理。
二、课程设计参考资料
[1]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].第三版.北京：
机械工业出版社，1999.10
[2]陈坚.电力电子学[M].第二版.北京：
高等教育出版社，2004.12
[3]张立.电力电子技术基础.北京：
高等教育出版社，1999.10
[4]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2006.1
[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第三版.北京：
机械工业出版社，2003
Ⅱ.课程设计指导书
一、课程设计要点、设计步骤
设计要点：
1）掌握直流斩波电路主电路元器件的选择方法；
2）掌握MOSFET的驱动及控制电路的设计方法；
3）掌握MatLab/Simulink的编程方法，能熟练地搭建所需的电路图；
4）选取合适的驱动信号。
驱动信号可以有多种实现方法，同学应视自己的情况，合理选择驱动信号；
5）通过本次课程设计，应掌握教材斩波波形与实际仿真波形的区别与联系；
6）选择不同的占空比，可以得到不同的斩波波形，应能掌握波形发生变化的原因；
7）通过本次课程设计，应能掌握何种情况下，阻感负载为大电感负载。
设计步骤：
1）掌握Buck电路与Boost电路的工作原理；
2）完成主电路元器件的选择方法；
3）完成直流斩波电路系统电路原理图的设计和绘制；
4）在MatLab/Simulink环境下搭建两种电路的结构图，并完成初步调试；
5）在占空比为50％时，完成两种电路的仿真，并得出仿真波形；
6）在占空比小于50％和大于50％时的多种情况下，分别完成两种电路的仿真，并得出正确的仿真结果；
7）改变负载的参数，得出相应的仿真结果；
8）改变电源电压与反电动势的数值，得出相应的仿真结果；
9）完成课程设计说明书。
二、主要技术关键的分析、解决思路
1）掌握电力电子电路中元器件选择的计算方法，并针对技术参数要求，合理选择主电路元器件，并保证系统安全可靠运行；
2）根据电力电子课程中直流斩波器的原理及功率器件驱动的策略，依据直流斩波电路的工作任务，完成系统电路原理图的绘制；
3）在不同占空比的情况下，完成电路的仿真实验。
通过对仿真实验结果的分析，使同学们更加熟练地掌握教材中斩波电路波形的产生原因；
4）通过改变负载的数值，得到相应的仿真波形，以实现对负载的全面认识。
在何种情况下，阻感负载才能称作大电感负载；
5）熟悉MatLab/Simulink的编程环境，掌握利用该软件仿真电力电子电路的方法。
三、课程设计进度安排
起迄日期
工作内容
2013.6.17-6.21
熟悉Buck电路与Boost电路的工作原理。
2013.6.22-6.25
完成主电路元件的计算和选择。
2013.6.26-6.29
完成电路原理图的设计与绘制。
2013.6.30-7.3
完成Buck电路的仿真与调试。
2013.7.4-7.8
完成Boost电路的仿真与调试。
2013.7.9
答辩、上交设计说明书。
Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计
一、降压斩波电路设计
1.设计要求与方案
1.1设计要求
利用MOSFET设计一降压变流器。
输入电压E42V，输出电压Ud12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f＝100Hz。
负载电阻为10Ω电感2mH。
1.2设计方案
电力电子器件在实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及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路电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。
根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及保护电路其结构框图如图1-1所示。
在图1-1结构框图中控制电路用来产生MOSFET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MOSFET控制端与公共端之间可以使其开通或关断的信号。
通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。
控制电路中保护电路是用来保护电路防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。
2降压斩波主电路设计
2.1电力MOSFET降压斩波主电路
在电力系统中直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。
MOSFET降压斩波电路的主电路图如下图2-1所示。
该电路使用一个全控型器件—电力MOSFET，且为了给负载中的电感电流提供通道设置有续流二极管VD。
电路通过在电力MOSFET管的控制端输入控制信号以得到所需要的输出电压，实现降压。
2.2电路原理分析
直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。
当t0时，MOSFET管被激励导通，电源E向负载供电，负载电压为Ud=E，负载电流io按指数曲线上升；
当t=t1时，控制MOSFET关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压Ud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联的电感L较大。
电路工作时的波形图如图2-2所示
图2-2电流续流时工作波形
一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。
当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均值为
（1-1）
平均电流值为（1-2）
式中T为MOSFET开关周期,Ton为导通时间
为占空比。
通过调节占空比
，使输出到负载的电压Ud最大为E,若减小占空比,则Ud随之减小。
根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式:
（1）保持开关周期T不变,调节开关导通时间
称为脉冲宽度调制（PWM调制）此种方式应用最多。
（2）保持开关导通时间
不变,改变开关周期
称为频率调制。
（3）
和
都可调，改变占空比称为混合型。
电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。
基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。
a）
通态期间，设负载电流为
，可列出如下方程：
（1-3）
设此阶段电流初值为
，=L/R，解上式得：
（1-4）
b）
断态期间，设负载电流为
（1-5）
，解上式得：
（1-6）
当电流连续时，有
（1-7）
（1-8）
即
进入通态时的电流初值就是
在断态阶段结束时的电流值，反过来，
进入断态时的电流初值就是
在通态阶段结束时的电流值。
由式（1-4）、式（1-6）、式（1-7）、式（1-8）得出：
（1-9）
（1-10）
式中：
；
由图1.1a可知，
分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。
把式（1-9）和式（1-10）用泰勒级数近似，可得
（1-11）
上式表示了平波电抗器
为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值
，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
从能量传递关系出发进行的推导。
由于
为无穷大，故负载电流维持为
不变；
电源只在
处于通态时提供能量，为，在整个周期
中，负载一直在消耗能量，消耗的能为。
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，即
（1-12）
则
（1-13）
与式（1-11）结论一致。
在上述情况中，均假设
值为无穷大，负载电流平直的情况。
这种情况下，假设电源电流平均值为
，则有
（1-14）
其值小于等于负载电流
，由上式得
（1-15）
即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。
2.3主要器件的选择
主电路中电源、电感及电阻的参数由设计要求给定现确定主电路中MOSFET管及电力二极管的参数：
其中MOSFET管的主要参数包括漏极电压Uds漏极直流电流Id和漏极脉冲电流幅值Idm。
而根据设计要求可知电源为42V直流电压源计算得,主电路平均电流Id=Ud/R2=1.2A有效电流值Id=2.18A
所以可选择额定电压为60V额定电流为6A的MOSFET管。
同样对于电力二极管可选择额定电压为60V电流为6A的二极管。
3控制电路设计
3.1控制电路方案选择
MOSFET控制电路的功能:
有给变流器的电子开关提供控制信号,以及对保护信号作出反应,关闭控制信号。
脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器,在正输入端输入一个三角波,在负输入端输入一直流电平,比较后输出一方波信号,改变负输入端直流电平的大小,即可改变方波信号的脉宽。
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
该设计中我选用PWM发生芯片——TL494芯片来进行调节控制。
TL494的引脚图如图3-1所示
图3-1TL494引脚结构图
3.2控制电路原理
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。
其内部结构图如图3-2所示
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4％，当输出端接地最大输出占空比为96％，而输出端接参考电平时占空比为48％。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压范围在（0—3.3V）之间即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到Vcc-2.0的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。
误差放大器的输出端常处于高电平它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。
若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且最大占空比小于50％时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。
输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。
这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。
控制电路如下图3-3所示
图3-3控制电路图
4驱动电路设计
4.1驱动电路方案选择
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁该部分，主要完成以下几个功能：
1提供适当的正向和反向输出电压使电力MOSFET管可靠的开通和关断；
2提供足够大的瞬态功率或瞬时电流使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；
3尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；
4足够高的输入输出电气隔离性能使信号电路与栅极驱动电路绝缘；
5具有灵敏的过流保护能力。
而电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的因此它的第一个显著特点是驱动电路简单需要的驱动功率小第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。
但是电力MOSFET电流容量小耐压低多用于功率不超过10Kw的电力电子装置。
在功率变换装置中根据主电路的结构起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。
根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET管开关特性选择驱动芯片IR2110来实现驱动。
芯片IR2110管脚及内部电路图如下图4-1所示
图4-1IR2110管脚及内部电路图
4.2驱动电路原理
IR2110内部功能由三部分组成逻辑输入电平平移及输出保护。
R2110驱动半桥的电路如图所示其中C1VD1分别为自举电容和自举二极管C2为VCC的滤波电容。
假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压VC1VCC。
当HIN为高电平时如下图4-2VM1开通VM2关断VC1加到S1的栅极和源极之间C1通过VM1Rg1和栅极和源极形成回路放电这时C1就相当于一个电压源从而使S1导通。
由于LIN与HIN是一对互补输入信号所以此时LIN为低电平VM3关断VM4导通这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。
图4-2IR2110驱动半桥电路
设计驱动电路如图4-3所示：
设计电路硬件图如下图5-1所示
图5-1设计电路硬件图
5、MATLAB仿真与分析
1、仿真电路如下图所示
2、仿真输出电压波形图如下
D=28.6%
D=55%
D=75%
改变L=0.3mH,D=28.6%
改变反电动势U=10V
改变R=5
观察仿真结果，从图中可以看输出电压在200V左右，满足关系式
。
如果进一步减少输出电压波动，可以提高脉冲发生器产生脉冲的周期，并选择多组LC参数比较以得到更满意的结果。
二、升压斩波电路设计
1.1系统框图：
1.2给定指标
1.输入直流电压：
Ud=24V
2.输出功率：
540W
3.开关频率：
5KHz
4.占空比：
50%左右
5.输出电压脉率：
小于10%
6.最大输出纹波电压为200mV
7.工作频率f＝100Hz
2.1主电路原理图：
图2
2.2变压器二次侧电压的计算
滤波后的直流输入电压Ud为：
Ud=0.9Ud1=24v
整流电压平均值Ud1为：
Ud1=0.9U2[（1+COSπ/2）/2]=36v
变压器二次侧电压U2为：
U2=83V
晶闸管的触发角是π/2
2.3变压器一、二侧电流的计算
变压器一侧交流电压为220V
变压器的匝数比为：
N1/N2=U1/U2=220/83=2.65
变压器二次侧电流I2为：
由P=I22R，其中的P=300W，其中的纯电阻为200Ω.得：
I2=1.732A
变压器一次侧电流I1为：
由N1/N2=U1/U2=I2/I1得：
I1=0.97A
MOSFET升压斩波电路元件的选择
3.1.整流元件中电压、电流最大值的计算
流过晶闸管的最大正向电压UVTmax=0.5
Ud1=19.80V
流过晶闸管的最大电流IVTmax=
IVT=
I2=1.732
3.2整流元件型号的选择
根据计算结果，选择最大电压UVTmax=19.80V、最大电流IVTmax=1.73A的晶闸管就可以满足电路的要求。
保护元件的选择
4.1变压器二次侧熔断器的选择
变压器二次侧熔断电流I熔=1.2I2=2.078A，根据计算结果，选择熔断电流I熔=2.078A的熔断器就可以满足电路的要求。
4.2晶闸管MOSFET保护电路选择
本设计中的保护电路选择是缓冲电路，其作用是抑制电力电子器件的内部因过电压、du/dt或者过电流和di/dt,减少器件的开关损耗。
4.3保护电路原理图及其工作原理
图3缓冲电路的原理图
当电力电子器件的内部出现过电压、过电流时。
缓冲电路会吸收多余的电能，也就是无功功率，减少器件的开通损耗，从而达到保护电路的作用。
MOSFET升压斩波电路的相控触发电路
5.1相控触发电路原理图
图4常见晶闸管触发电路
5.2相控触发芯片的选择
主要有3个二极管组成，4个电阻，2个NPN型晶闸管，一个脉冲变压器TM。
5.3相控触发电路的工作原理
V1、V2构成脉冲放大环节，脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节；
V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲；
VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截至时脉冲变压器TM释放其储存能力而设。
6.1驱动电路
驱动电路——主电路与控制电路之间的接口
1.使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义
2.对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现
驱动电路的基本任务：
•将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号
•对半控型器件只需提供开通控制信号
•对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号
图1-3 电力MOSFET的一种驱动电路
图中是一种采用光耦合隔离的由V2、V3组成的驱动电路。
当控制脉冲使光耦关断时，
光耦输出低电平，使V2截至，V3导通，MOSFET在DZ1反偏作用下关断。
当控制脉冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使V2导通，V3截至，经VCC、V2、RG产生的.正向驱动电压使MOS管开通。
电源+VCC可由DC/DC芯片提供。
在升压斩波电路中，主电路和控制电路共地，所以驱动不用隔离。
在降压斩波电路中则需要在控制电路和主电路之间加隔离。
本实验装置中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，在加一级推挽电路进行放大。
为了得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。
6.1控制电路原理图
图5控制电路的protel设计
6.2总电路工作原理
接入220V交流电，经过变压器、整流电路、滤波电路，最后使得输入升压斩波电路的直流电压为50V。
在经过启动触发电路，当斩波开关V导通期间，二极管VD被反偏置，它将输入电源与输出极隔离，这时电源向电感中储能，负载由电容C供电。
当斩波开关V关断时，电感释放能量，与输入电压一起作用，迫使二极管导通并向负载供电。
这种电路的输出电压永远高于输入电压。
7.MATLAB仿真与分析
D=70%
改变反电动势U=8V
三、课程设计总结
现在我们所使用到能源中电能占了很大的比重，它具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。
我们的日常生活已经离不开电了。
在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。
而《电力电子技术》正是与这一主题相关联的。
直流斩波电路是里面的一部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。
在做课程设计的这段时间里，通过不断地查找资料，对升降压斩波电路有了一定的理解,并在protel中绘制了原理图。
经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实物。
四、心得体会
回顾起此次的电力电子课程之MOSFET升降压斩波电路设计，感慨颇多，它使我有了很多的心得体会，可以说这次MOSFET斩波电路设计是在自己用心努力和在老师的精心指导下共同完成的。
在两个星期的日子里，可以说自己每天都充满着压力与忙碌，自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。
设计过程中，因为是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
通过查阅大量有关资料，并与同课题同学互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。
通过本次课程设计让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了电力电子这门学科的重要性。
课程设计不仅需要灵活的运用书本上以及课堂上的知识，还需要自己运用电脑上网搜索相关信心和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。
这让我不仅巩固了老师所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决实际问题的能力。
通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。
在此次电力电子课程设计，我自学了Matlab软件。
通过对电路图的研究，也增强了自己的思考能力。
另外，在使用Matlab软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。
从开始任务到查找资料，到设计电路图，我学到了课堂上学习不到的知识。
上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。
此次老师要求我们选择电子版的论文，自己分别运用了Vissal，Matl
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