湖南工程学院直流降压斩波电路课程设计DOC.docx

1、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

2、；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-DC Converter）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（DC

3、Chopper）,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

4、其他的电路打下基础。降压斩波电路（Buck Chopper）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（Buck Chopper）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

5、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

6、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（RT+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

7、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。1.3 IGBT结构及原理IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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

8、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

9、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

10、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

11、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2.1 IGBT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2.1.1 LM358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

12、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2.2.1 IGBT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2.2.2 IGBT模块的术语及其说明图2.2.3 降压斩波电路电路图图

13、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2.2.5 IGBT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1C，其值下降5mV左右。在+25C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

14、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

15、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

16、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MATL

17、AB® 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

18、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，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，2000

19、4莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599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）。