升降压直流斩波实验装置.docx
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升降压直流斩波实验装置
XX工业大学
电力电子技术课程设计〔论文〕
题目：
升降压直流斩波实验装置
院〔系〕：
电气工程学院
专业班级：
电气
学号：
学生：
指导教师：
起止时间：
2015-12-24至2016-1-3
学号
学生
专业班级
课程设计
升降压直流斩波实验装置
课程设计〔论文〕任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压压斩波的相关理论知识。
设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、整流电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、斩波电路设计。
5、驱动电路设计或选择。
6、绘制相关电路图。
7、进展matlab仿真。
8、完成设计说明书。
要求
1、文字在4000字左右。
2、文中的理论分析与计算要正确。
3、文中的图表工整、规。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：
单相220V。
2、前级整流输出电压限制在50V以。
3、斩波输出电流最大值2A。
4、负载：
纯电阻。
5、斩波输出直流电压在10～100V左右可调。
进度计划
第1天：
集中学习；第2天：
收集资料；第3天：
方案论证；第4天：
整流电路设计；第5天：
斩波电路设计；第6天：
驱动电路设计；第7天：
元器件具体选择；第8天：
进展matlab仿真；第9天：
总结并撰写说明书；第10天：
辩论
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
辩论：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
课程设计〔论文〕任务及评语
院〔系〕：
电气工程学院教研室：
电气
注：
成绩：
平时20%论文质量60%辩论20%以百分制计算
摘要
20世纪80年代以来 ，信息电子技术和电力电子技术在各自开展的根底上相结合而产生了一代高频化，全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管，电力晶体管，电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。
利用全控型器件可以组成变流器。
直流—直流〔DC—DC〕是电力变换四大类之一，也指一种电压〔或电流〕的直流变为另一种电压〔或电流〕的直流，可用斩波电路来实现。
直流斩波电路种类：
降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Spic斩波电路，Zeta斩波电路等六种。
升降压直流斩波电路实验装置是使学生通过该装置测试、观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压斩波的相关理论知识。
此装置运用了整流电路，驱动电路和斩波电路三大局部，将单相220V交流电压变换为10～100V直流可调电压。
关键词：
斩波电路；整流电路；驱动电路；直流变直流〔DC—CD〕
第1章绪论
电力电子技术概况
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。
因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业效劳的，故常将它归属于电工类。
电力电子技术的容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。
电力电子器件以半导体为根本材料，最常用的材料为单晶硅。
它的理论根底为半导体物理学，它的工艺技术为半导体器件工艺。
近代新型电力电子器件量应用了微电子学的技术。
电力电子电路吸收了电子学的理论根底，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。
这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。
顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技术包括信息电子技术和信息电子技术和电力电子技术两大分支。
具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进展变换和控制的技术。
目前所用电力电子器件均由半导体制成，故也称为电力半导体器件。
电力电子技术所变换的“电力〞，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小至数瓦甚至毫瓦级。
信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术那么主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。
电力有交流和直流两种。
电力变换通常可分为四大类，即交流变直流〔AC—DC〕，直流变交流〔DC—AC〕，直流变直流〔DC—DC〕和交流变交流〔AC—AC〕。
交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。
交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。
直流变直流是指一种电压〔或电流〕的直流变为另一种电压〔或电流〕的直流，可用直流斩波电路实现。
电力电子是国民经济和国家平安领域的重要支撑技术。
它是工业化和信息化融合的重要手段，它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能，将电子信息技术和传统产业相融合的有效技术途径。
同时，还是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段，在执行当前国家节能减排、开展新能源、实现低碳经济的根本国策中起着重要的作用。
本文设计容
设计题目为《升降压直流斩波实验装置》，其功能实现是为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形，应用此装置可验证升降压压斩波的相关理论知识。
使同学可以更好的学习电力电子技术这门课程。
本课题给出的参数是：
1、交流电源：
单相220V。
2、前级整流输出电压限制在50V以。
3、斩波输出电流最大值2A。
4、负载：
纯电阻。
5、斩波输出直流电压在10～100V左右可调。
升降压直流斩波实验装置电路设计
第2章升降压直流斩波实验装置电路设计
升降压直流斩波实验装置总体设计方案
升降压直流斩波实验装置是应用于实验室的装备，应满足便于操作，平安系数高等特点。
其电源为单相220V交流电，所以需通过整流电路将其交流电变换为直流电后，直流变直流用升降压直流斩波电路调节其电压，实验装置中还需参加驱动电路，控制斩波电路的IT开通或关断，绘制出合理的电路图，最终在实验室进展调试并更正。
交流直流直流
图2.1总体设计方案
具体电路设计
构成此实验装置的总电路图大概分为三大局部，分别为整流电路、斩波电路和驱动电路。
主电路设计
整流电路、斩波电路和驱动电路。
依次将交流电源变为直流电源，前级整流输出电压限制在50V以，再将直流电通过升降压斩波电路进展升降压的选择，斩波输出电流最大值2A，斩波输出直流电压在10～100V左右可调。
整流电路
整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应
用最为广泛的电路。
不仅应用于工业，也广泛应用于交通运输，电力系统，通信系统，能源系统等其他领域。
本实验装置采用单相桥式全控整流电路〔所接负载为纯电阻负载〕。
图2.2单相桥式整流电路图
当变压器2次级电压u2为正半周时，即a端电压为正，b端电压为负，二极管VT1、VT3承受正向电压而导通，二极管VT2、VT4承受反向电压截止，电流通道为：
a→V1→R→V3→b完成回路，于是负载R上得到一组半波电压。
当U2电压为负半周时，变压器次级的a端电位为负，b端电位为正，二极管VT2、VT4承受正向电压而导通，而V1、V3承受反向电压截止，电流通道为b→V2→R→V4→a完成回路，负载上又得到一个与上半周一样方向的半波电压。
这样，在一个周期，负载R上得到了两个半波。
如下列图所示为单相桥式整流的电压电流波形图。
图2.3单相桥式整流电路电压电流波形图
整流电路平均电压均值为：
Ud=0.9U2
〔2-1〕
流过晶闸管的电流平均值为Id=Ud/R
〔2-2〕
向负载输出的直流电流平均值为：
Idvt=0.5Id
〔2-3〕
二极管所受的最大反向电压Uvtm=1.41U2
〔2-4〕
题目中要求前级整流输出电压限制在50V以，输入电压U1为220V，那么输入电压U2最大为55V，变压器匝数比N1:
N2=4:
1。
驱动电路设计
驱动电路——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，可靠性和平安性都有重要的意义。
可分为：
电压型驱动电路和电流型驱动电路。
用IT驱动电路来控制主电路的升降压斩波电路IT的开通和关断。
IGBT 是三端器件，具有栅极g，集电极c和发射极 e。
它是个场控器件，通断由栅射极电压 Uge决定。
Uge 大于开启电压Uge（th）时，MOSFET形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。
通态时电导调制效应使电阻 R减小，使通态压降减小。
当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。
本文用M57962L型IT驱动器做驱动电路，下列图所示：
图2.4M57962L型IT驱动器的原理图
图2.5M57962L型IT驱动电路图
M57962L工作程序：
当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。
假设过载或短路，IGBT的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路〞指示信号。
lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。
图2.6M57962L驱动器芯片部
驱动电路的根本任务：
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，对全控型器件那么既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。
一般采用光隔离或磁隔离：
光隔离一般采用光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。
升降压斩波电路的设计
升降压斩波电路的原理图如下图。
设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
使电感电流iL和电容电压及负载电压Uo根本为恒值。
图2.7升降压斩波电路原理图
该升降压占波电路由绝缘栅双极晶体管来控制。
绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，是80年代出现的新型复合器件，在电机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。
IGBT升降压斩波电路就是直流斩波中最根本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的升降压斩波电路，用于直流到直流的升降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率围，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的升降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的开展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率开展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的开展。
该电路的根本工作原理是：
当可控开关IT处于通态时，电源E经IT向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1。
同时，电容C维持输出电压根本恒定并向负载R供电。
此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。
可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。
稳态时，一个周期T电感L两端电压U对时间的积分为零，即：
〔2-5〕
当V处于通态期间，
；而当V处于断态期间，
。
于是
〔2-6〕
所以输出电压为
〔2-7〕
图2.8升降压斩波电路工作波形图
改变占空比
，输出电压既可比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0＜
＜
时为降压，当
＜
＜1时为升压，因此该电路称为升降压斩波电路。
也有文献直接按英文称之为buck-boost变换器〔Buck-boostConverter〕。
保护电路设计
电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择适宜，驱动电路设计良好外，采用适宜的过电压保护、过电流保护也是必须的。
抑制过电压的方法：
用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。
所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。
使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。
由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗局部产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。
保护电路如下图。
图2.9过电压保护电路
抑制过电流的方法：
常见的过电流保护有：
快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长〔只有在短路电流不大时才有用〕直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
因此，最正确方案是用快速熔断器保护。
图2.10快速熔断器
元件器参数计算与型号选择
整流电路的参数计算与选择
（1）由于任务书中要求前级整流输出电压限制在50V以，通过计算变压器匝数比应控制在4：
1左右。
4：
1
=
U1=220V，U2=55V
（2）考虑到二极管的平安裕量，
额定电压
围是157~235.5V，额定电流
的围是6~8A。
所以整流电路中二极管选择为IN4009二极管。
升降压斩波电路的参数计算与选择
〔1〕由于斩波输出最大电流为2A，流过VD二极管、V三极管的最大电流为2A。
熔断器的最大熔断电流为2A。
可选WICKMANN1812A瓷管保险丝。
斩波电路通过控制占空比
来实现升降压，根据公式
〔2-8〕
〔2-9〕
电源E最大值为50V，输出电压Uo的围是10V至100V，代入公式，经计算占空比应控制在16.7％至66.7%。
（2）另外，二极管允许通过的最大电流时2A。
流过VD二极管、V三极管的最大电流为2A。
熔断器的最大熔断电流为2A。
VD二极管型号为MR2400，V三极管型号为2N4400。
元器件的型号选择
表2.1器件参数
器件
型号
器件
型号
变压器
N1：
N2=4：
1
电容
C，C1
二极管
IN4009
电阻
R1
二极管
IN4009
电阻
R2
二极管
IN4009
二极管
MR2400
二极管
IN4009
三极管IT
2N4400
芯片
M57962L
电感
L
系统调试及仿真
MATLAB/Simulink仿真软件简介
MATLAB是矩阵实验室〔Matrix Laboratory〕的简称。
除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
Simulink是MATLAB软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进展建模、仿真和分析的MATLAB软件包。
支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同局部拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。
在其下提供了丰富的仿真模块。
其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进展仿真分析，按仿真的最正确效果来调试及整定控制系统的参数。
Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:
从模块库中选择所需要的根本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进展动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进展分析和比拟。
Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库（Source） ,接收模块库〔Sinks〕，连续系统模块库〔Continuous〕，离散系统模块库〔Discrete〕，非连续系统模块库〔Signal Routing〕，信号属性模块库〔Signal Attributes〕，数学运算模块库〔Math Operations〕，逻辑和位操作库〔Logic and Bit Operations〕等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。
升降压直流斩波实验装置总电路图及仿真模型建立
图2.11升降压直流斩波实验装置总电路图
图2.12升降压直流斩波实验装置仿真模型图
升降压直流斩波实验装置仿真波形及数据分析
图2.13单相桥式整流电路滤波电压波形
图2.14占空比为66.666%时输出最大电流i波形图
图2.16占空比为16.666%时输出电压Uo波形图
数据分析：
翻开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开场仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1s，控制脉冲周期设置为0.001s（频率为1000Hz），变压器电压U1=220v，U2=55v，交流电源为220v，C=1F，整流电源滤波之后的电压为50.5265v。
C1=1e-3F，R=50欧姆，L=1e-3H，二极管导通电压0.7v，控制脉冲占空比为16.666%时电9.5450v~10.4569v和66.666%时95.4658v~104.3654v，波形为上图所示。
占空比16.666%~66.666%变化时电压从10~100v可调，电阻R=50欧姆，最大电压为100v，所以电阻R流过的最大电流为2A。
第3章课程设计总结
通过这次课程设计，让我对电力电子技术有了更深的认识，让我进一步了解了电力电子器件。
在这次课程设计中我主要担任电路仿真的工作，虽然在此期间遇到了很多困难，重复了很多遍都没有仿成功，但是经过查找资料，向同学请教，之后得到你要的结果时，那种喜悦感，那种兴奋感如果没有这一过程是无法体会的。
仿真让我进一步学习了MATLAB软件，学会了很多关于仿真的知识。
当然，此过程少不了同学合作。
这次的设计也让我认识到了理论与实际结合的重要性。
升降压直流斩波实验装置电路主要分为三个局部，分别为整流电路模块，驱动电路模块，斩波电路模块。
整流电路：
是电力电子电路中出现最早的一种。
它的作用是将交流电源变为直流电输出。
整流电路可分为相位控制整流电路和斩波控制整流电路。
本实验装置应用的是单相桥式全控整流电路。
斩波电路：
它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。
本装置应用升降压斩波电路。
通过控制占空比来实现电压的升降。
实验装置操作简单，平安系数高。
此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器M57962L产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
本装置缺点在于没有考虑电路控制电路与主电路的电气隔离。
斩波电路在实际应用中需要注意以下问题：
系统损耗的问题，栅极电阻，驱动电路实现过流过压保护的问题。
这些问题还需要加以改正和修复。
参考文献
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机械工业,2015
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