电力电子课程设计报告

电力电子技术课程设计班级：学号：姓名：扬州大学水利与能源动力学院建筑电气智能化二零一三年十二月Buck变换器研究引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。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范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点，同时促进了IGBT降压斩波电路的发展。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；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.仿真软件的使用MATLABSimulink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。三．Buck变换器工作原理BUCK电路图降压斩波电路（BuckChopper）的原理图如上所示。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，需要设置使晶闸管关断的辅助电路。在图5中，为在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。电路的工作波形如下所示：电流连续时波形图由图6中的V的栅射电压波形可知，在t=0时刻驱动V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。当t=时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，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：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。由此式知，输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。负载电流的平均值为，若负载中的L值较小，则在V关断后，到了时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：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方式）。保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制。和T都可调，使占空比改变，称为混合型。本次设计电路采用PWM方式控制IGBT的通断。电流断续时波形以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于L为无穷大，故负载电流维持为不变。电源只在V处于通态时提供能量，为。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为。一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：则：与上述结论一致。在上述情况中，均假设L值为无穷大，且负载电流平直。在这种情况下，假设电源电流平均值为，则有：其值小于等于负载电流，由上式得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。如图所示为Buck电路原理图及其工作模式。Buck变换器工作模态分析[t0~t1][t1~t2][t0~t1]的主要工作波形[t1~t2]的主要工作波形在分析Buck变换器之前，做出以下假设：①开关管Q、二极管D均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；③电感电流连续；④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1）开关模态0[t0~t1][t0~t1]对应图在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。此时：（式1）电感中的电流线性上升，式1可写成：（式2）（2）开关模态1[t1~t2][t1~t2]对应图在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。此时：（式3）电感中的电流线性下降，式3可写成：（式4）式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，，联解式2与式4可得：（式5）输出电流平均值：五．电路参数讨论主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定过程如下。1）对于电源，因为题目要求输入电压为20-30V，且连续可调。其直流稳压电源模块的设计已在前面完成。所以该直流稳压电源作为系统电源。2）对于电阻，因为当输出电压为15V时，输出电流为0.1-1A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为，可得到电路电阻应该在。3)对于IGBT的选择，由图6易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为30V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。故需选择集电极最大连续电流Ic>1A，反向击穿电压Bvceo>30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。4)对于二极管的选择，当=1时，其承受最大反压30V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。5)主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。六．Buck变换器建模与仿真1)由IGBT构成直流降压斩波电路(BuckChop-per)的建模和参数设置(1)直流电压源参数设置：直流电源电压为100V电阻、电容参数设置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脉冲发生器模块的参数设置：Pulse的振幅设置为1V，周期为0.001s脉冲宽度分别为20%，50%和80%占空比50%下电感L为10^-5H，0.001H，10^4H(2)带有反向电动势的直流电压源参数设置：直流电源电压为100V,反向电动势为10V，占空比50%电阻、电容参数设置：C=0.001*10^-3uF,L=10mH,脉冲发生器模块的参数设置：Pulse的振幅设置为1V，周期为0.001s2）运行仿真20%占空比50%占空比80%占空比占空比50%电感10^-4H占空比50%电感1H占空比50%电感10^4H带有反向电动势，占空比80%，反向电动势为10V带有反向电动势，占空比50%，反向电动势为25V带有反向电动势，占空比50%，反向电动势为40V七．Buck变换器仿真结论得以验证当L值很小的时候，流过负载的电流是断续的当L值较小的时候，流过负载的电流是三角波型的当L值很大的时候，流过负载的电流是连续的八．心得与体会通过紧张的一周积极准备和不断的尝试，翻阅相关资料，以及在网上不断的查找，终于完成了本次电力电子课程设计“BUCK变换器研究”的设计任务。在设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在自己的努力和同学的帮助下都一一化解。可以说本次的课程设计，对自己来说，不仅是一次知识上的扩展，更是意志与信心上的一种锻炼。这次的题目不仅仅要求设计一个简单的BUCK电路，还需要你去认真的去分析原理，了解各个器件所起的作用。在经过翻阅资料和上网的查看学习，终于对各个部分都有了一定的了解之后，我开始尝试去启动matlab，画出直流降压斩波变换电路模型图。在画图的过程中，免不了会产生问题，但最终在同学和老师的帮助下，完成了模型图，并获得了相应的波形。虽然我没能彻底掌握这些原理，却让我对这些内容有了更深的了解。本次设计实现了BUCK变换器简单的运用，对有关电力电子的知识有进一步的认识与了解，拓展了相关软件，也让我对这门课有了更深的了解，培养了我们努力尝试，不轻言放弃的态度。对自己的综合能力的提高起到很大的助力，相信这次经历对自己在今后的课程设计中有很大的帮助。九．课程设计参考书[1]电力电子电路的计算机仿真陈建业编著北京清华大学出版社2003[2]电路和系统的仿真实践张占松编著北京科技出版