1、 電力電子技術電力電子技術課程設計說明書課程設計說明書 降壓直流斬波電路設計 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 王惠民 指導教師： 董恒 職稱/學位 碩士 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 自卓 1301 學 號： 1330940108 完成時間： 2015 年 12 月 湖南工學院電力電子課程設計課題任務書湖南工學院電力電子課程設計課題任務書學院： 電氣與信息工程學院 專業：電氣工程及其自動化專業 指導教師董恒學生姓名王惠民 課題名稱直流降壓斬波電路的設計內容及任務一、設計任務設計一個直流降壓斬波電路，已知直流輸入電壓 200V，負載自擬，要求輸出電壓在 50100V 可調，其

2、它性能指標自定。二、設計內容1、關于本課程學習情況簡述；2、主電路的設計、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設計；4、保護電路的設計；5、利用Matlab軟件對自己的設計進行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(第 5 版).北京:機械工業出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關斷器件及電路.北京:機械工業出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應用.北京:機械工業出版社,1996教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日摘摘 要要直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子

3、變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之出現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。設計仿真通過 matlab 軟件中的 Simulink 模塊對設計的降壓斬波電路進行仿真和計算的理論值進行對比，誤差分析得出仿真結果與理論值基本一致。關鍵詞：直流斬波；降壓斬波；Matlab 仿真目目 錄錄1 電路總體設計方案 1 1.1 設計課題任務 1 1.2 功能要求說明 1 1.3 設計總體方案和設計原理 12 電路的設計 3 2.1 整流濾波電路 3

4、2.2 IGBT 驅動電路的設計 43 電路各元件的參數設定及元件型號選擇 6 3.1 各元件的參數設定 6 3.2 元件型號選擇 84 系統仿真及結論 9 4.1 仿真軟件的介紹 9 4.2 仿真電路及其仿真結果10 4.3 仿真結果分析12心得體會 13參考文獻 14致 謝 15附錄 電子元器件表1601 電路總體設計方案1.1 設計課題任務設計一個直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說明將 24V 直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調，范圍為 0-24V。1.3 設計總體方案和設計原理降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖 1 所示。該電路使用一個全控型器件 V，圖中為 IGBT。為在 V 關斷

5、時給負載中電感電流提供通道，設置了續流二極管 VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。圖 1 降壓斬波電路原理圖如圖 2 中 V 的柵極電壓 uGE波形所示，在 t=0 時刻驅動 V 導通，電源 E 向負載供電，負載電壓 uo=E，負載電流 io按指數上升。當 t=t1時刻，控制 V 關斷，負載電流經二極管 VD 續流，負載電壓 uo近似為零負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，通常是串聯的電感 L 值較大。至一個周期 T 結束，在驅動 V 導通，重復上一周期的過程。當工作處于穩態時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖 2 所示。負載電

6、壓平均值為1(1)EETEUonoffonontttto式中，ton為 V 處于通態的時間；toff為 V 處于斷態的時間；T 為開關周期；為導通占空比。由式（1）可知，輸出到負載的電壓平均值 Uo最大為 E，減小占空比，Uo隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也稱 buck 變換器。負載電流平均值為 (2)REUImoo圖 2 降壓斬波電路的工作波形22 電路的設計2.1 整流濾波電路本設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 對整流出來的電壓進行傅里葉變換得24442cos2cos46.31535outinvvttt由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故

7、需要進行濾波。本電路采用 LC 低通濾波器（通過串聯一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel 原理圖如圖 3 所示：圖 3 整流濾波電路原理圖輸入端接 220V、50Hz 的市電，進過變壓器 T1（原線圈/副線圈為 1.1）后輸出200V、50Hz。當同名端為正時 D2、D5 導通，D3、D4 截止，電壓上正下負。當同名端為負時 D2、D5 截止，D3、D4 導通，電壓同樣是上正下負，從而實現整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯一個大電容可以濾除雜波

8、，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為 50V）。32.2 IGBT 驅動電路的設計 IGBT 的門極驅動條件密切地關系到他的靜態和動態特性。門極電路的正偏壓 uGS、負偏壓-uGS 和門極電阻 RG 的大小，對 IGBT 的通態電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及 du/dt 電流等參數有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS 的變化對 IGBT 的開通特性，負載短路能力和 duGS/dt 電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。IGBT 的驅動是矩形波，所以選擇了由比較器 LM358 產生矩形波。 圖 4 LM358 的引腳圖LM3

9、58 簡介：LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。描述：運放類型:低功率放大器數目:2針腳數:8工作溫度范圍:0C to -70C封裝類型:SOIC-3dB 帶寬增益乘積:1.1MHz變化斜率:0.6V/s4器件標號:358電源電壓 最大:32V電源電壓 最小:3V安裝器件:表面安裝圖 5 比較器產生方波電路圖其中 2、3 口是輸入口 4、6 接直流電源電壓 1 為輸出口。

10、53 電路各元件的參數設定及元件型號選擇3.1 各元件的參數設定3.1.1 IGBT 的參數設定圖 6 IGBT 的簡化等效電路以及電氣圖形符號表 1 IGBT 模塊的術語及其說明術 語 符 號 定義及其說明（測定條件參改說明）集電極、發射極間電壓 VCES 柵極、發射極間短路時的集電極，發射極間的最大電壓柵極發極間電壓 VGES 集電極、發射極間短路時的柵極，發射極間最大電壓集電極電流 IC 集電極所允許的最大直流電流耗散功率 PC 單個 IGBT 所允許的最大耗散功率結溫 Tj 元件連續工作時芯片溫廈關斷電流 ICES 柵極、在集電極、發射極間加上指定的電壓時的集電極電流圖 7 降壓斬波電

11、路電路圖6圖 8 降壓斬波總電路圖由圖 7 所示此次設計的電源電壓為 220V，當二極管 VD 導通時 V 的 C 和 E兩端承受的電壓為電源電壓，因此 UCE=220V。圖 9 IGBT 的轉移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有下降，溫度每升高 1C，其值下降 5mV 左右。在+25C 時，UGE(th)的值一般為 2-6V。參考電力電子技術課本可得： (3) REmeeREREeeImTt)11()11(/min1(4)REmeeREREeeImTt)11()11(/max1式中，；。/TEEmm/TTtt11/若取為 10，則：RARI22/220max73.1.2 續流二極管

12、 VD 的參數設定VD 所承受的最大反向電壓是當 IGBT 導通是的電源電壓 100V。所承受的最大電流是當 IGBT 關斷瞬間電感 L 作用在 VD 上的電流，此電流為。AI22max3.1.3 電感的參數設定由于電感 L 要盡量大一些否則會出現負載電流斷續的情況，所以選擇 L 的值為1。mH3.2 元件型號選擇考慮其安全裕度則 IGBT 的額定電壓可以為 2-3 倍峰值電壓，所以額定電壓可為 440-660.額定電流 33-44，二極管 VD 與其類似，VD 的最大反向VVAA電壓為 220。V選擇 IGBT 的型號為 IRG4PC40U 其額定電壓為 600，額定電流為 40。VA選擇續

13、流二極管的型號為 HFA25TB60，其額定電壓為 600，額定電流為V25。A84 系統仿真及結論4.1 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是 Matlab 軟件。Simulink 是 Matlab 最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink 具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink 已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于 Simulink。 Sim

14、ulink 是 Matlab 中的一種可視化仿真工具，是一種基于 Matlab 的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。 Simulink®是用

15、于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink 提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。. 構架在 Simulink 基礎之上的其他產品擴展了 Simulink 多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink 與Matlab® 緊密集成，可以直接訪問 Matlab 大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。94.2 仿真電路及其仿真結果4.2.1 仿真電路圖

16、圖 10 降壓斬波的Matlab電路的模型4.2.2 Matlab 仿真結果 設置仿真時間為 0.08s。仿真波形如圖 11,12,13,14,15 所示。圖 11 =0.2 時的仿真結果10圖 12 =0.4 時的仿真結果圖 13 =0.6 時的仿真結果圖 14 =0.8 時的仿真結果圖 15 =0.99 時的仿真結果114.3 仿真結果分析由公式可得：EETtEtttUoonoffonon當時， =102 . 0OUV =0.4 時， =20。OUV =0.6 時， =30。OUV =0.8 時， =40。OUV =0.99 時，=49.5V。OU上面的數據與理論值相同，由于使用的是仿真軟

17、件所以幾乎沒有誤差。12心得體會回顧起此次電力電子課程設計，感慨頗多，在這段時間里可以說是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設計中學到了很多東西。從開始得到老師給定課題時的一臉茫然到老師講解后內容的初步了解再到自己通過查資料、與同學共同探討、經過老師指導后，自己設計并寫出這份課程報告，心中充滿了成就感。通過課程設計還拓寬了知識面，學到了很多課本上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設計還讓我明白了理論聯系實際的重要性，只有通過實際的動手才能加深對于理論知識的理解。在做課程設計的過程中我發現自己對課本知識的理解

18、不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會努力地溫習以前的知識。經過一段時間努力終于順利的完成了此次電力電子的課程設計，其中遇到了許多的問題和困難但是也學到了很多的知識。遇到的問題和困難：在計算元器件參數是缺少理論依據難以正確的計算相應的參數。在選取元器件型號和參數時，缺少實際經驗難以找到合適的元件。在用 Matlab 軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學習解決了這些難題。學到的知識：通過這次課程設計我夯實了電力電子的基礎知識。對直流斬波有了更深層次的理解。對 Matlab，proteus 軟件和電路原理圖的設計有了初步了解。在面對學習上的困難時一定要堅持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知識。13參考文獻1 王兆安，劉進軍. 電力電子技術.5 版.北京.機械工業出版社，20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關斷器件及電路.北京:機械工業出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應用.北京:機械工業出版社,19964 康華光. 電子技術基礎模擬部分.5 版.北