扬州大学电力电子课程设计 升压式DC DC变换器设计及其傅立叶分析.docx

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扬州大学电力电子课程设计升压式DCDC变换器设计及其傅立叶分析

电力电子技术课程设计

班级：

电气0902

学号：

姓名：

扬州大学能源与动力工程学院

电气工程及其自动化专业

二零一三年三月

一课程设计的目的与要求

1.进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性；

2.进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；

3.掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数的计算方法；

4.培养对电力电子电路的性能分析的能力；

5.培养撰写研究设计报告的能力。

通过对一个电力电子电路的初步设计，巩固已学的电力电子技术课程的理论知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。

二、题目

升压式DC/DC变换器设计及其傅立叶分析

三课程设计的内容

1.主电路方案确定

2.绘制电路原理图、分析理论波形

3.器件额定参数的计算

4.建立仿真模型并进行仿真实验

5.电路性能分析：

输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等

四、仿真软件的使用

1、MATLAB

Simulink是TheMathWorks公司的产品，可在MATLAB环境下建立系统框图和仿真的模块库，其功能非常强大，可用于电力电子系统的仿真，模块库中提供了大量的电力电子模型。

其具体使用方法和相关电力电子模型的建立、仿真等请参阅课程设计教材。

一、主电路方案的确定及其原理............................................4

二、绘制电路原理图及分析理论波形....................................4

三、器件额定参数的计算........................................................7

四、建立仿真模型并进行仿真实验........................................8

五、电路性能分析：

傅立叶分析...........................................11

六、小结...................................................................................14

七、参考文献...........................................................................14

一、主电路方案的确定及其原理

在电源ＶＳ与负载之间串接一个通、断控制的开关器件，是不可能使负载获得高于电源电压ＶＳ的直流电压的。

为了获得高于电源电压ＶＳ的直流输出电压ＶＯ，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感Ｌ，如图（ａ）所示。

在开关管Ｔ关断时，利用图（ｃ）中电感线圈Ｌ在其电流减小时所产生的反电动势ｅＬ（在电感电流减小时，ｅＬ＝－ＬｄｉＬ／ｄｔ为正值）与电源电压ＶＳ串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压ＶＳ的直流电压ＶＯ。

图（ａ）就是在这一思想启发下，利用一个全控型开关管Ｔ和一个续流二极管Ｄ加上电感、电容构成的直流／直流升压变换器———ＢｏｏｓｔＤＣ／ＤＣ变换器。

ＢｏｏｓｔＤＣ／ＤＣ变换器是输出直流电压平均值ＶＯ高于输入电压ＶＳ的单管不隔离直流变换器，图（ａ）中，Ｂｏｏｓｔ变换器中电感Ｌ在输入侧，称为升压电感。

开关管Ｔ仍为ＰＷＭ控制方式，和Ｂｕｃｋ变换器一样，Ｂｏｏｓｔ变换器也有电感电流连续和断流两种工作方式，图（ｅ）和（ｆ）给出了这两种工作方式下的主要波形图。

图（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）为Ｂｏｏｓｔ变换器在不同开关状态时的等效电路。

当电感电流连续时，Ｂｏｏｓｔ变换器存在两种开关状态，如图（ｂ）和（ｃ）所示；而当电感电流断流时，Ｂｏｏｓｔ变换器还有第三种开关状态，如图（ｄ）所示。

二、绘制电路原理图及分析理论波形

这里我们讨论两种开关状态

１．两种开关状态

（１）开关状态１：

从ｔ＝０到Ｔｏｎ＝ＤＴＳ期间，开关管Ｔ导通，二极管Ｄ截止，等效电路如图（ｂ）所示。

电源电压ＶＳ加到升压电感Ｌ上，电感电流ｉＬ

线性增长：

Ｌ·ｄｉＬ／ｄｔ＝ＶＳ。

当ｔ＝Ｔｏｎ＝ＤＴＳ时，ｉＬ达到最大值Ｉｍａｘ。

在Ｔ导通期间，ｉＬ的增量ΔｉＬ＋为：

ΔｉＬ＋＝ＶＳＬＴｏｎ＝ＶＳＬ

ＤＴＳ

　　在开关状态１，由于二极管Ｄ截止，负载由滤波电容Ｃ供电，选用足够大的Ｃ值，可使ＶＯ变化很小。

（2）开关状态２：

从ｔ＝Ｔｏｎ到ＴＳ的Ｔｏｆｆ期间，Ｔ阻断，Ｄ导通，等效电路如图（ｃ）所示。

这时，ｉＬ通过二极管Ｄ向输出侧流动，电源功率和电感Ｌ的储能向负载和电容Ｃ转移，给Ｃ

充电。

此时加在Ｌ上的电压为ＶＳ－ＶＯ，因为ＶＯ＞ＶＳ，故ｉＬ线性减小：

Ｌ·ｄｉＬ／ｄｔ＝ＶＳ－ＶＯ

经历Ｔｏｆｆ＝ＴＳ－Ｔｏｎ时期后，ｉＬ达到最小值ＩＬｍｉｎ。

在Ｔ截止期间，ｉＬ的减少量ΔｉＬ

－为：

ΔｉＬ－＝ＶＯ－ＶＳＬ（ＴＳ－Ｔｏｎ）＝ＶＯ－ＶＳＬ（１－Ｄ）ＴＳ

此后，Ｔ又导通，开始另一个开关周期。

，Ｂｏｏｓｔ变换器电源的输入电流就是升压电感Ｌ电流，电流平均值ＩＬ＝ＩＳ＝（ＩＬｍａｘ＋ＩＬｍｉｎ）／２。

开关管Ｔ和二极管Ｄ轮流工作，Ｔ导通时，电感电流ｉＬ流过Ｔ；Ｔ截止、Ｄ导通时，电感电流ｉＬ流过Ｄ。

电感电流ｉＬ是Ｔ导通时的电流ｉＴ和Ｄ导通时的电流ｉＤ的合成。

在周期ＴＳ的任何时刻，ｉＬ都不为零，即电感电流连续。

稳态工作时，电容Ｃ充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，故通过二极管Ｄ的电流平均值就是负载电流ＩＯ

2．变压比Ｍ和电压、电流基本关系

稳态工作时，Ｔ导通期间，电感电流的增量ΔｉＬ＋等于它在Ｔ截止期间的减少量ΔｉＬ－，可得到升压比Ｍ：

Ｍ＝ＶＯ／ＶＳ＝１／（１－Ｄ）

在每一个开关周期中，电感Ｌ都有一个储能和能量通过二极管Ｄ的释放过程，也就是说必须有能量送到负载端。

因此，如果该变换器没有接负载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必然会使ＶＯ不断升高，最后使变换器损坏。

实际工作中，为防止输出电压过高，Ｂｏｏｓｔ变换器不宜在占空比Ｄ接近于１的情况下工作。

Ｂｏｏｓｔ变换器在电流连续条件下其变压比Ｍ也仅与占空比Ｄ有关而与负载电流无关。

通过二极管Ｄ的电流平均值ＩＤ等于负载电流平均值ＩＯ，即ＩＤ＝ＩＯ。

电感电流的脉动量：

由于电源输入功率ＶＳＩＳ＝ＶＯＩＯ，故电源电流ＩＳ＝ＶＯＩＯ／ＶＳ＝ＩＯ／（１－Ｄ）。

由图通过Ｔ和Ｄ的电流最大值ＩＴｍａｘ和ＩＤｍａｘ与电感电流最大值ＩＬｍａｘ相等，即：

Ｔ和Ｄ截止时所承受的电压ＶＴ和ＶＤ均为输出电压ＶＯ，即ＶＴ＝ＶＤ＝ＶＯ

输入电流ｉＳ的脉动量ΔＩＳ等于电感电流ｉＬ的脉动量ΔＩＬ：

输出电压脉动量ΔＶＯ等于开关管Ｔ导通期间电容Ｃ向负载放电引起的电压变化量。

ΔＶＯ

可近似地由下式确定：

三、器件额定参数的计算

电感电流连续时ＶＯ＝ＶＳ１－Ｄ，得到Ｄ＝１－ＶＳ／ＶＯ。

又ＶＯ≡４８Ｖ。

当ＶＳ＝１０Ｖ时，Ｄ＝０．７９２；当ＶＳ＝３０Ｖ时，Ｄ＝０．３７５。

电源电压ＶＳ变化时，占空比Ｄ的变化范围是０．３７５～０．７９２。

临界负载电流ＩＯＢＩＯＢ＝ＶＯ２ＬｆＳＤ（１－Ｄ）２

Ｄ＝１／３≈０．３３４时，ＩＯＢ有最大值ＩＯＢｍ＝ＶＯ２７２ＬｆＳ。

Ｄ值越接近０．３３４，ＩＯＢ大。

令最小负载电流ＩＯｍｉｎ大于临界负载电流ＩＯＢ，由（３－４５）式，即ＩＯｍｉｎ＞ＶＯ２ＬｆＳＤ（１－Ｄ２，则：

取Ｌ＝０．５ｍＨ。

验算：

Ｌ＝０．５ｍＨ，Ｄ＝０．３７５时，临界负载电流为：

确保了电感电流连续，Ｍ＝

输出电压纹波：

四、建立仿真模型并进行仿真实验

（a）电感电流连续时主要波形

（b）电感电流断流时主要波形

五、电路性能分析：

傅立叶分析

傅立叶分析：

傅里叶分析，又称调和分析，是数学的一个分支领域。

它研究如何将一个函数或者信号表达为基本波形的叠加。

它研究并扩展傅里叶级数和傅里叶变换的概念。

基本波形称为调和函数，调和分析因此得名。

在过去两个世纪中，它已成为一个广泛的主题，并在诸多领域得到广泛应用,如信号处理、量子力学、神经科学等。

我们在Matlab得到的仿真波形中可以直接得出傅立叶分析出来的波形

以下为傅立叶分析图

（a）电感电流连续时主要波形

iL

iT

iD

VL

（b）电感电流断流时主要波形

iL

iT

iD

VL

六、小结

为期一个半星期的电力电子课程设计结束了，虽然还带着些许疑问，不过这一切可能在未来或者更为出色的人去探讨，在这大四最后的一学期，也算是屈指可数的几个设计了，留给我的印象是非常深刻的，不但还没有学的透彻而且还有更多的需要探讨。

起初老师布置给我们的任务看似简单明了，但是随着课题的选择就出现了麻烦，许多东西有印象但是却不能去完整的表述和理解，在最开始就出现了麻烦；但是在我们继续跟老师请教后我们还是选出了合适自己的课题；在复习了先前的知识以后，才对所要求的电路有一个大概的了解，可是，拦路虎始终都会出现，此次课程设计最核心的部分就是用Matlab仿真，这个软件我们却从来没用过，这对我们来说是一个很大的挑战，在满是英文的界面里寻找我们需要的模块，给了我们好大的压力，我们每天都缠着老师，让他们在继续教我们一下，回去又在宿舍里不断练习，所谓勤能补拙，熟能生巧，应该也是这样吧，几天过去了，总算能很快找到模块接好电路；出波形时，又很难调试出跟理论上相似的波形，为此我们上网查原因，去图书馆查资料，总算得出原因，大家一起努力得出了波形，感受到了科研出结果的艰辛与不易。

对于此次课程设计，要特别感谢刘老师和蒋老师的悉心教导，在他们不厌其烦的教导下，我们才能在短期内比较灵活的使用软件。

以后还有很多路要走，我们要从此次课程设计得到的经验来走好我们的将来的路。

七、参考文献

[1]朱桂萍,陈建业.电力电子电路的计算机仿真[M].清华大学出版社,2008

[2]陈建业.开关电源计算机仿真技术[M].电子工业出版社,2011

[3]SimPowerSystems手册.

[4]魏艳君.电力电子电路仿真-MATLAB和PSpice[M].机械工业出版社,2012

[5]电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].机械工业出版社,2011

[6]陈坚.电力电子学,第二版[M].高等教育出版社,2003

[7]王兆安.电力电子技术,第五版[M].机械工业出版社,2010

[7]（美）安格.开关功率变换器-开关电源的原理、仿真和设计[M].机械工业出

版社,2011

[8]周洁敏.开关电源理论及设计[M].北京航天航空大学出版社,2012