1、遼遼 寧寧 工工 業業 大大 學學電力電子技術電力電子技術課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：升降壓直流斬波實驗裝置升降壓直流斬波實驗裝置院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業班級：專業班級： 電氣電氣 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間：202015-12-24至至2016-1-3本科生課程設計（論文）I課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣注：成績：平時 20% 論文質量 60% 答辯 20% 以百分制計算學 號學生姓名專業班級課程設計升降壓直流斬波實驗裝置升降壓直流斬波實驗

2、裝置課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能實現功能為了電力電子技術課程的教學實驗，設計此裝置，使學生通過該裝置測試、觀察升降壓直流斬波電路的各個參數及波形，應用此裝置可驗證升降壓壓斬波的相關理論知識。設計任務設計任務1、方案的經濟技術論證。2、整流電路設計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、斬波電路設計。5、驅動電路設計或選擇。6、繪制相關電路圖。7、進行 matlab 仿真。8、完成設計說明書。要求要求1、文字在 4000 字左右。2、文中的理論分析與計算要正確。3、文中的圖表工整、規范。4、元器件的選擇符合要求。技

3、術參數技術參數1、交流電源：單相 220V。2、前級整流輸出電壓限制在 50V 以內。3、斬波輸出電流最大值 2A。4、負載：純電阻。5、斬波輸出直流電壓在 10100V左右可調。進度計劃第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：整流電路設計；第 5 天：斬波電路設計；第 6 天：驅動電路設計；第 7 天：元器件具體選擇；第 8 天：進行 matlab 仿真；第 9 天：總結并撰寫說明書；第 10 天：答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日本科生課程設計（論文）II摘 要20 世紀 80 年代以來 ，信息電子技

4、術和電力電子技術在各自發展的基礎上相結合而產生了一代高頻化，全控型的電力電子器件，典型代表有門極可關斷晶閘管，電力晶體管，電力場效應晶體管和絕緣柵雙極晶體管。利用全控型器件可以組成變流器。直流直流（DCDC）是電力變換四大類之一，也指一種電壓（或電流）的直流變為另一種電壓（或電流）的直流，可用斬波電路來實現。直流斬波電路種類：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk 斬波電路，Spic 斬波電路，Zeta 斬波電路等六種。升降壓直流斬波電路實驗裝置是使學生通過該裝置測試、觀察升降壓直流斬波電路的各個參數及波形，應用此裝置可驗證升降壓斬波的相關理論知識。此裝置運用了整流電路，驅動電路和

5、斬波電路三大部分，將單相 220V 交流電壓變換為 10100V 直流可調電壓。關鍵詞：斬波電路；整流電路；驅動電路；直流變直流（DCCD）本科生課程設計（論文）III目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電力電子技術概況 .11.2 本文設計內容 .2第 2 章 升降壓直流斬波實驗裝置電路設計 .32.1 升降壓直流斬波實驗裝置總體設計方案 .32.2 具體電路設計 .32.2.1 主電路設計 .32.2.2 整流電路 .32.2.3 驅動電路設計 .52.2.4 升降壓斬波電路的設計 .72.2.5 保護電路設計 .92.3 元件器參數計算與型號選擇 .92.3.1 整流電路的參數計算與選擇

6、 .92.3.2 升降壓斬波電路的參數計算與選擇 .102.3.3 元器件的型號選擇 .112.4 系統調試及仿真 .112.4.1 MATLAB/Simulink 仿真軟件簡介 .112.4.2 升降壓直流斬波實驗裝置總電路圖及仿真模型建立 .122.4.3 升降壓直流斬波實驗裝置仿真波形及數據分析 .13第 3 章 課程設計總結 .16參考文獻 .17本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論1.1 電力電子技術概況電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力

7、電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅。它的理論基礎為半導體物理學，它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，又開發出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。顧名思義，可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。電子技術包括信息電子技術和信息電子技術和電力電子技術兩大分支。具體的說，電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。目前所用電力電子器

8、件均由半導體制成，故也稱為電力半導體器件。電力電子技術所變換的“電力” ，功率可以大到數百兆瓦甚至吉瓦，也可以小至數瓦甚至毫瓦級。信息電子技術主要用于信息處理，而電力電子技術則主要用于電力變換，這是二者本質上的不同。電力有交流和直流兩種。電力變換通常可分為四大類，即交流變直流（ACDC） ，直流變交流（DCAC） ，直流變直流（DCDC）和交流變交流（ACAC） 。交流變直流稱為整流，直流變交流稱為逆變。交流變交流可以是電壓或電力的變換，稱作交流電力控制，也可以是頻率或相數的變換。直流變直流是指一種電壓（或電流）的直流變為另一種電壓（或電流）的直流，可用直流斬波電路實現。電力電子是國民經濟和國

9、家安全領域的重要支撐技術。它是工業化和信息化融合的重要手段，它將各種能源高效率地變換成為高質量的電能，將電子信息技術和傳統產業相融合的有效技術途徑。同時，還是實現節能環保和提高人民生活質量的重要技術手段，在執行當前國家節能減排、發展新能源、實現低碳經濟的基本國策中起著重要的作用。本科生課程設計（論文）21.2 本文設計內容設計題目為升降壓直流斬波實驗裝置 ，其功能實現是為了電力電子技術課程的教學實驗，設計此裝置，使學生通過該裝置測試、觀察升降壓直流斬波電路的各個參數及波形，應用此裝置可驗證升降壓壓斬波的相關理論知識。使同學可以更好的學習電力電子技術這門課程。本課題給出的參數是：1、交流電源：單

10、相 220V。2、前級整流輸出電壓限制在 50V 以內。3、斬波輸出電流最大值 2A。4、負載：純電阻。5、斬波輸出直流電壓在 10100V 左右可調。升降壓直流斬波實驗裝置電路設計本科生課程設計（論文）3第 2 章 升降壓直流斬波實驗裝置電路設計2.1 升降壓直流斬波實驗裝置總體設計方案升降壓直流斬波實驗裝置是應用于實驗室的裝備，應滿足便于操作，安全系數高等特點。其電源為單相 220V 交流電，所以需通過整流電路將其交流電變換為直流電后，直流變直流用升降壓直流斬波電路調節其電壓，實驗裝置中還需加入驅動電路，控制斬波電路的 IJBT 開通或關斷，繪制出合理的電路圖，最終在實驗室進行調試并更正。

11、交流交流 直流直流 直流直流圖圖 2.12.1 總體設計方案總體設計方案2.2 具體電路設計構成此實驗裝置的總電路圖大概分為三大部分，分別為整流電路、斬波電路和驅動電路。2.2.1 主電路設計整流電路、斬波電路和驅動電路。依次將交流電源變為直流電源，前級整流輸出電壓限制在 50V 以內，再將直流電通過升降壓斬波電路進行升降壓的選擇，斬波輸出電流最大值 2A，斬波輸出直流電壓在 10100V 左右可調。2.2.2 整流電路整流電路尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術中最為重要，也是應用最為廣泛的電路。不僅應用于工業，也廣泛應用于交通運輸，電力系統，通信系統，能源系統等其他領域。本實驗裝置采用

12、單相橋式全控整流電路（所接負載升降壓直流占波電路升降壓直流占波電路控制和驅動電路控制和驅動電路單相橋式整流電路單相橋式整流電路本科生課程設計（論文）4為純電阻負載） 。圖圖 2.22.2 單相橋式整流電路圖單相橋式整流電路圖當變壓器 2 次級電壓 u2 為正半周時，即 a 端電壓為正， b 端電壓為負，二極管 VT1、VT3 承受正向電壓而導通，二極管VT2、VT4 承受反向電壓截止，電流通道為： aV1RV3b 完成回路，于是負載R 上得到一組半波電壓。當U2 電壓為負半周時，變壓器次級的a 端電位為負， b端電位為正，二極管VT2、VT4 承受正向電壓而導通，而V1、V3 承受反向電壓截止

13、，電流通道為bV2RV4a 完成回路，負載上又得到一個與上半周相同方向的半波電壓。這樣，在一個周期內，負載R 上得到了兩個半波。如下圖所示為單相橋式整流的電壓電流波形圖。圖圖 2.32.3 單相橋式整流電路電壓電流波形圖單相橋式整流電路電壓電流波形圖本科生課程設計（論文）5整流電路平均電壓均值為：Ud=0.9U2 （2-1）流過晶閘管的電流平均值為 Id=Ud/R （2-2）向負載輸出的直流電流平均值為：Idvt=0.5Id （2-3）二極管所受的最大反向電壓 Uvtm=1.41U2 （2-4）題目中要求前級整流輸出電壓限制在 50V 以內，輸入電壓 U1 為 220V，則輸入電壓 U2 最大

14、為 55V，變壓器匝數比 N1:N2=4:1。2.2.3 驅動電路設計驅動電路 使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率，可靠性和安全性都有重要的意義。可分為：電壓型驅動電路和電流型驅動電路。用 IJBT 驅動電路來控制主電路的升降壓斬波電路 IJBT 的開通和關斷。IGBT 是三端器件，具有柵極 g，集電極 c 和發射極 e。它是個場控器件，通斷由柵射極電壓 Uge 決定。Uge 大于開啟電壓 Uge(th)時，MOSFET 內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT 導通。通態時電導調制效應使電阻 R 減小，使通態壓降減小。當柵射極間施加反壓或不加

15、信號時，MOSFET 內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關斷。本文用 M57962L 型 IJBT 驅動器做驅動電路，下圖所示： 圖圖 2.42.4 M57962LM57962L 型型 IJBTIJBT 驅動器的原理圖驅動器的原理圖本科生課程設計（論文）6圖圖 2.52.5 M57962LM57962L 型型 IJBTIJBT 驅動電路圖驅動電路圖 M57962L 工作程序：當電源接通后，首先自檢，檢測 IGBT 是否過載或短路。若過載或短路， IGBT 的集電極電位升高，經外接二極管流入檢測電路的電流增加，柵極關斷電路動作，切斷 IGBT 的柵極驅動信號，同時在“8”腳輸出低電

16、平“過載/短路” 指示信號。lGBT 正常時，輸入信號經光電耦合接口電路，再經驅動級功率放大后驅動 IGBT。圖圖 2.62.6 M57962LM57962L 驅動器芯片內部驅動器芯片內部驅動電路的基本任務：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換本科生課程設計（論文）7為加在電力電子器件控制端和公共端之間。可以使其開通或關斷的信號：對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節。一般采用光隔離或磁隔離：光隔離一般采用光耦合器，磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。2.2.4 升降壓斬波電路的設計 升

17、降壓斬波電路的原理圖如圖所示。設電路中電感 L 值很大，電容 C 值也很大。使電感電流 iL 和電容電壓及負載電壓 Uo 基本為恒值。圖圖 2.72.7 升降壓斬波電路原理圖升降壓斬波電路原理圖該升降壓占波電路由絕緣柵雙極晶體管來控制。 絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，是由 MOSFET 和晶體管技術結合而成的復合型器件，是 80 年代出現的新型復合器件，在電機控制、中頻和開關電源，以及要求快速、低損耗的領域備受青睞。IGBT 升降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用 IGBT 作為全控型器件的升降壓斬波電路，用于直流到直流的升降壓變換。IGBT 是 MOSFET與雙極晶體管的復合器件

18、。它既有 MOSFET 易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優點。其頻率特性介于 MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。所以用 IGBT 作為全控型器件的升降壓斬波電路就有了 IGBT 易驅動，電iLLLLi1i2本科生課程設計（論文）8壓、電流容量大的優點。IGBT 降壓斬波電路由于易驅動，電壓、電流容量大在電力電子技術應用領域中有廣闊的發展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率發展的趨勢，促進了 IGBT 降壓斬波電路的發展。該電路的基本工作原理是：當可控開關 IJBT 處于通態時，電源 E 經 I

19、JBT 向電感 L 供電使其儲存能量，此時電流為 i1。同時，電容 C 維持輸出電壓基本恒定并向負載 R 供電。此后，使 V 關斷，電感 L 中儲存的能量向負載釋放，電流為i2。可見，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。穩態時，一個周期 T 內電感 L 兩端電壓 U 對時間的積分為零，即 ： （2- 0000offtTtonoffLonLTLtuEtdtudtudtuonon5）當 V 處于通態期間，；而當 V 處于斷態期間，。于是EuLuuoL （2-offoontUEt6）所以輸出電壓為 （2-EEtTtEttuononoffon107）本科生課程設計（論文）9圖圖 2.82.8

20、升降壓斬波電路工作波形圖升降壓斬波電路工作波形圖改變占空比，輸出電壓既可比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當 0時為降壓，當1 時為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路。2121也有文獻直接按英文稱之為 buck-boost 變換器（Buck-boost Converter） 。2.2.5 保護電路設計電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是必須的。抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產過電壓的能量，用儲能元件吸收生產過電壓的能量。對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現過電壓的場合。

21、所以我們選用儲能元件吸收生產過電壓的能量的保護。使用 RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯電阻消耗部分產生過電壓的能量，并抑制 LC 回路的震動。保護電路如圖所示。圖圖 2.92.9 過電壓保護電路過電壓保護電路抑制過電流的方法：常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關過電流保護。快速熔斷器保護是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關時間長（只有在短路電流不大時才有用）直流快速開關過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔

22、斷器保護。圖圖 2.102.10 快速熔斷器快速熔斷器本科生課程設計（論文）102.3 元件器參數計算與型號選擇2.3.1 整流電路的參數計算與選擇 （1）由于任務書中要求前級整流輸出電壓限制在 50V 以內，通過計算變壓器匝數比應控制在 4：1 左右。U1=220V，U2=55V（2）考慮到二極管的安全裕量，額定電壓范圍是 157235.5V，額定電流的范圍是 68A。所以整流電路中UNIN二極管選擇為 IN4009 二極管。2.3.2 升降壓斬波電路的參數計算與選擇（1）由于斬波輸出最大電流為 2A，流過 VD 二極管、V 三極管的最大電流為2A。熔斷器的最大熔斷電流為 2A。可選 WIC

23、KMANN 181 2A 陶瓷管保險絲。斬波電路通過控制占空比來實現升降壓，根據公式 （2-8） （2-9） IUIOE21 已知電源 E 最大值為 50V，輸出電壓 Uo 的范圍是 10V 至 100V，代入公式，經計算占空比應控制在 16.7至 66.7%。（2）另外，二極管允許通過的最大電流時 2A。流過 VD 二極管、V 三極管的最大電流為 2A。熔斷器的最大熔斷電流為2A。VD 二極管型號為 MR2400，V 三極管型號為 2N4400。II1215 .7855222maxUUVUUN5 .2351575 .78)32()32(maxAIIVTN864)25 . 1 ()25 . 1

24、 (NNUU2121=4：1本科生課程設計（論文）112.3.3 元器件的型號選擇表表 2.12.1 器件參數器件參數器件型號器件型號變壓器N1：N2=4：1電容C，C1二極管IN4009電阻R1二極管IN4009電阻R2二極管IN4009二極管MR2400二極管IN4009三極管 IJBT2N4400芯片M57962L電感L2.4 系統調試及仿真2.4.1 MATLAB/Simulink 仿真軟件簡介MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱。除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。Simulink 是

25、MATLAB 軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的 MATLAB 軟件包。支持連續、離散以及兩者混合的線性和非線性系統，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實現動態系統建模、方針與分析，可以預先對系統進行仿真分析，按仿真的最佳效果來調試及整定控制系統的參數。Simulink 仿真與分析的主要步驟按先后順序為為:從模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，建立結構圖模型，設置仿真參數，進行動態仿真并觀看輸出結果，針對輸出結果進行分析和比較。 Simulink 模塊庫提供了豐富的描述系統特性的典型環節，有信號源

26、模塊庫(Source) ,接收模塊庫（Sinks） ，連續系統模塊庫（Continuous） ，離散系統模塊庫（Discrete） ，非連續系統模塊庫（Signal Routing） ，信號屬性模塊庫（Signal Attributes） ，數學運算模塊庫（Math Operations） ，邏輯和位操作庫（Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學科仿真的工具箱。本科生課程設計（論文）122.4.2 升降壓直流斬波實驗裝置總電路圖及仿真模型建立圖圖 2.112.11 升降壓直流斬波實驗裝置總電路圖升降壓直流斬波實驗裝置總電路圖圖圖 2.122.12 升降壓直流

27、斬波實驗裝置仿真模型圖升降壓直流斬波實驗裝置仿真模型圖本科生課程設計（論文）132.4.3 升降壓直流斬波實驗裝置仿真波形及數據分析圖圖 2.132.13 單相橋式整流電路濾波電壓波形單相橋式整流電路濾波電壓波形圖圖 2.142.14 占空比為占空比為 66.666%66.666%時輸出最大電流時輸出最大電流 i i 波形圖波形圖本科生課程設計（論文）14圖圖 2.152.15 占空比為占空比為 66.666%66.666%時輸出電壓時輸出電壓 UoUo 波形圖波形圖圖圖 2.162.16 占空比為占空比為 16.666%16.666%時輸出電壓時輸出電壓 UoUo 波形圖波形圖數據分析數據分

28、析：打開仿真參數窗口，選擇 ode23tb 算法，相對誤差設置為 1e-03，開始仿真時間設置為 0，停止仿真時間設置為 0.1 s，控制脈沖周期設置為 0.001 s(頻率為 1 000Hz)，變壓器電壓 U1=220v，U2=55v，交流電源為 220v，C=1F，整流電源濾本科生課程設計（論文）15波之后的電壓為 50.5265v。C1=1e-3F，R=50 歐姆，L=1e-3H，二極管導通電壓0.7v，控制脈沖占空比為 16.666%時電 9.5450v10.4569v 和 66.666%時95.4658v104.3654v，波形為上圖所示。占空比 16.666%66.666%變化時電

29、壓從 10100v 可調，電阻 R=50 歐姆，最大電壓為 100v，所以電阻 R 流過的最大電流為 2A。本科生課程設計（論文）16第 3 章 課程設計總結通過這次課程設計，讓我對電力電子技術有了更深的認識，讓我進一步了解了電力電子器件。在這次課程設計中我主要擔任電路仿真的工作，雖然在此期間遇到了很多困難，重復了很多遍都沒有仿成功，但是經過查找資料，向同學請教，之后得到你要的結果時，那種喜悅感，那種興奮感如果沒有這一過程是無法體會的。仿真讓我進一步學習了 MATLAB 軟件，學會了很多關于仿真的知識。當然，此過程少不了同學合作。這次的設計也讓我認識到了理論與實際結合的重要性。升降壓直流斬波實驗裝置電路主要分為三個部