电力电子技术课程设计之降压斩波电路

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1、目录摘要一、概述2二、设计方案3三、主电路设计5四、Simulink仿真系统设计8五、总结 17六、参考文献 18一、概述从八十年代末起，工程师们为了缩小 DC/DC 变换器的体积，提高功率密度， 首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体 积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时 MOSFET 的开 关速度还不够快，大幅提高频率使 MOSFET 的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工 程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而 从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是 VICOR 公司的有 源箝位ZVS软开关

2、技术;另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国 VICOR 公司的有源 箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合 磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其转 换效率却始终没有超过 90%，主要原因在于 MOSFET 的损耗不仅有开关损耗，还 有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且 因 1MHZ 频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转 换效率始终没有突破 90%大关。为了降低第一代有源箝位技术的成本，

3、IPD公司申报了第二代有源箝位技术 专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。 这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条 件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且 PMOS 工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程 师于 2001 年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源 箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效 率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。因而工作频率 较高，采用该技术可以将ZVS

4、软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起, 因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公 司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的 高级技术计算语言和交互式环境，SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动 态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在SIMULINK中来完 成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具 分析系统的基本方法。直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变

5、为另一固定电压或可调电 压的直流电，也称为直接直流-直流变换器(DC/DC Converter)。直流斩波电路 一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。 习惯上， DC-DC 变换器包括以上两种情况。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其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波 电路、桥式可逆斩波电路

6、等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多 相多重斩波电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点 全控型器件选择绝缘栅双极晶体管(IGBT)综合了 GTR和电力MOSFET的优 点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场， 应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。 主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与 设计。二、设计方案本课程设计主要应用了 MATLAB软件及其组件之一 SIMULINK进行系统的设 计与仿真。系统

7、主要包括：直流稳压电源部分、BUCK降压斩波主电路部分、PWM 控制部分和负载。BUCK 降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的 负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可。在 SIMULINK 中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用 SIMULINK 提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行 总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计。电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和 以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路 按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电

8、子器件 的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应 包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路 设计出降压斩波电路的结构框图如图 1 所示。在图 1 结构框图中，控制电路是用来产生 IGBT 降压斩波电路的控制信号， 控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在 IGBT 控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关 断来控制 IGBT 降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止 电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。三、

9、主电路设计1、主电路设计如图2,设计一个降压变换器，输入电压为220V，输出电压为50V,纹波电 压为输出电压的0. 2%，负载电阻为20Q,工作频率分别为20KHz.分别仿真将工 作频率改为50KHz，电感改为约临界电感值的一半进行对比分析。图2 降压斩波主电路图2、保护电路设计1）过电压保护所谓过电压保护，即指流过IGBT两端的电压值超过IGBT在正常工作时所能 承受的最大峰值电压Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷 击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需 在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回 路电流时电磁感

10、应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而， 下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。其电路如图3所示图 3 过电压保护电路2) 过电流保护所谓过电流保护，即指流过IGBT的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值Im都称为过电流。这里采用图4所示的电路(B坤图4 过电流保护电路3) IGBT 的保护 静电保护IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护 极为必要。在静电较强的场合，MOSFET容易静电击穿，造成栅源短路。采用以 下方法进行保护：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用 器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。

11、工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时 电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V24V的低电压烙铁，且前端作为接地 点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须 良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压， 改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。 过电流保护IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法，电路如图5所示图 5 集射极电压状态识别保护电路 短路保护4）缓冲电路缓冲电路（吸收电路）的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt,减小器件的开关损耗。这里采用由R LC组成的电路来吸收电压、 电流，如图7。

12、图7 缓冲电路3、主电路的计算和元器件的参数选型1）计算 定义开关管导通时间七on与开关周期Ts的比值为占空比，用Dc表示Dc=tonc= on 电感 Lc= Uo(l-Dc)Ts/(2P*P。)其中：Po= U*I。 纹波电压 U= U(l-Dc)Ts* Ts/8LC 电容 C= U(l-Dc)Ts* Ts/8LU2）元器件参数 主开关管可以使用MOSFET,开关频率为20Hz； 输入200V，输出50V,可确定占空比为Dc=25% 选择电感 Lc= Uo(l-Dc)Ts/( 2P*P)=3.75*10(4)H这个值是电感电流连续与否的临界值，LLc则电感电流连续，试剂电感值 可选为1.2倍

13、的临界电感值，可选择为4.5X104H； 据波纹的要求计算电容值C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU1=2.6*10,-4)F 当开关频率为 50kHz 时，L=1.8*10(-4)H,C=1.04*10八(-4)四、Simulink仿真系统设计1、建立一个buck的新模型在“SimpowerSytems/Electrical Sources库中选择DC voltage source 直流电压模块在对话框中将直流电压设置为200V。如下图：爭 Block Parameters: 200VC：ELTLCt!LHelpApply在“SimPowerSystems/ElectricalSour

14、ces库中选择Series RLC Branch, 右键选择单击并拖动，在复制出2个该元件，分别在对话框中“Branch Type 下拉菜单中选择R、L、C，按照1)的计算结果赋值，在电感元件的对话框里最 下方“Mesurement选择“Branch voltage and current,以使能电感的端电 压测量和电流测量，电阻元件的对话框里Mesurement选择Branch voltage， 以使能负载电阻端的电压测量，亦即Buck变换器的输出电压，具体如下图：在“ SimPowerSys tems/ Mesuremen t” 库中选择“ Mul time ter，对话框中 的坐便又“U

15、b;L”、“Ib:L”、“Ub:R”几项，依次选中，在右边窗口中显示，这样 就可以对电感电压、电感电流、负载电阻电压进行测量，如下图：在Simulink/Source库中选择Pulse Genera tor库中选择Pulse Cen ter, 对话框中“Period(secs) ” 设置为 20e-6, Pulse Width(% of period) ”设置 为25，其他设置保持为缺省值。如下图：在Simulink、Signal Routing库中选择：Bus Selector，在复制出 1 个，分别连接在Mosfet和Diode的测试端口，将Bus Selector”设置 为测试各自的电流

16、，连接二极管的Bus Selec tor 对话框设置，如下图：耳 Block Parameisirx Pus Selector卫国Bus EsIqc t口工 Ttiis bi-D-ck accepts a Ej.5 3.3 input Thich can be created frco a Mj-e. Buz Cjeatcri Bus Se-lectcz ph 吕 &1c-23e th.a.t drdna It* iiEpu-: lisdnc a bu二 sbjflt-. Th.* Jtsft llstbo-x eIl-c-ve tha Elgru.l= In th.fi- Input h-L

17、5. ITbc ike Select out t a-n zelec 七 th.-= o-utput s iexeIe. The r iph-t 1 iz tkc3 shows 七互三 select icons. Qae cue Up, Dottl or Reat&ve bcttm tc reorls-r iKe- selec-ticnz. CKs-ck J Suted cutpat: w nultlplts tn口 o-utputQXQanceLKelptoplyft Black Parameters： Bus SdedorlrviRi一 Du.5&jectGrThis block ecce

18、p七:；a. due e.z iTiput m.i djl car. be 口reat-d Ez uzs e. IrhzE： Blls Cr eat c-Zj Eus Sels-D to-z c-z e that dc-flns-; It: output UElnj j. buz tbjiBEt. Th* la-ft llctbes EhnT： the eIehsIe In th.a- input bus. Use the Select butt-c-r. tc Bele-Gt the output aienals. The- xicht listh-s-z sk-eva the 5elE-s

19、ti-G-r.3 LT-a th.4 Vp4 Dgrii orbutton to- t4 0-tq.z tha Eilat 1 cns. Clhack nsd o-ntput tc zij.1 tiplz:the Sutent.在“Simulink/sink”库中选择示波器“Scope”，将其设置为6个输入通道, 具体的设置方法如下图：为了实时显示输出电压的平均值，在“SimPowerSystems/Extra Library/Mesurement”里面选取“Mean Value,双击打开对话框，将其参数设置中的 “Averaging Period(s)设置为20e-6 (求平均值时的这个周期

20、设置可以使信 号周期的整数倍)，在“Simulink/sink”里面选取“Display。如下图：在“ SimpowerSy tems/Power Elec trical Sources ”库中选择“ Mosfe t” 和“Diode”模块，参数保留其缺省值。如下图：B loclk Param erte-r&! Diodeiri-3-iDied已 :dELwk (IdiLk-工n口二百zd乜hi七亘 . d_i Q-d.6 5_n f-q.x冇三七h . qt 1 c RC nij.ttc：T ez.xe：u.5.- Izl c-ri.-es. s 七11 d Di-o-ds zigsdal

21、hia= an in o-tti,al t s-e xetanca (lSon. s.tid an du c： 5a.Ti e a CL-c-tl) . P-sr zso-e tJ. i e： s. i-DTi, e t h.a- in t sirnal in.d.ij c t an eeH-emj.1 d ba- 髯 口-七 七& hhhu. Th.s DS-o-dzdisa-d an c a- i e inFin.i七匚 in. c-f fe+ sa. t a- rsc-d dParsmeteTE 一-Resist ance Fon OhzuE :!. CCL|5e-3 iq= iaziL

22、LH 亡 mun七 p-cx1 fc :OEC ：=lJi.iZ&LHelpApply最终完成仿真模型如图所示。仿真时间为0.1s，仿真算法为ode23tb。丄rrRE 乂File Edit View Simulirtion Formzit Took Hdp序H倉上至B 口斜卜 I fL |larmtl n曲円也律 耳能伍廿茶Mui li-neEfIn UsaiCIspJs/隔电IMejh Value-rr stjnvReady|10C%1 11cde23tb2、仿真结果分析在菜单栏“Simulation里面的 “Configuration Parameters里面设置仿 真算法，仿真算法可以

23、选取步长“Variable-step下的ode23tb,其他设置可 以保持缺省，其中将“Max-step”（最大步长）设置的比较小（如le-6或者le-5） 能够使输出波形较为平滑。本例中“ Max-s tep”选择缺省值（au to）。如下图上到下的波形依次为MOSFET们极触发脉冲Ug、电感电压Ul、电感电 流订、输出电压Uo、MOSFET电流iT、二极管电流iD。电感电流连续，各个波 形与理论波形规律一致。f=20kHzF=50kHz对比上面两个图可知，在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则 电感值减少为1/n，电容值也减少到1/n，从式中也可以得到这个结论。另外可以发现图中，输

24、出电压平均值没有达到50 v,而只有48.91v左右, 这是由于反并联二极管的导通压降使得输出比理论值小，在仿真模型中，二极管 的导通压降为0.8V,导通时通态电阻为0. 001Q,流经电流也会造成一定的电压 降，因此输出电压比50V小，在前文分析稳态时的工作波形时，得到的结果是在 假设了导通后开关管电压为0V以后，当开关器不是理想器件时，电压和电流会 有变化。在电感电流断续的仿真中，导通占空比D=25%，若要使输出电压仍为50V， 则需适当减小导通占空比。电流断续时占空比的确定比较难，因此在实验前可进 行仿真确定占空比的范围，这样可缩短开发周期。五、总结经过几天的电力电子课程设计让我们懂了很

25、多，也得到了很多的收获，受益 匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。对课程设计课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考 虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复 习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，还 有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一 个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题 后，可以再加于完善，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了 更深的认识和

26、了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也 进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思 考能力和解决实际问题的能力。尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解 Simulink 的运用，不同的模块代表什么，功能是什么。毕竟是第一次进行课程 设计，能力不够，所以很多问题都没有考虑周到，有些难题是和同学们商量才得 出的结果，期间和组员做了很多的沟通和商量，从而解决了很多问题，这在合作 上也是一个不小的进步，这让我明白了很多东西。撰写这份报告也很用心，花了很

27、多的时间，提高了课程设计报告的撰写水平， 这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的这次的设计经验，在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么 大的设计，应该分模块去完成，才会把看似难题的东西解决掉。通过这个的电力电子课程设计，初步掌握了如何在MATLAB/SIMULINK环境中 进行电路图的绘制和仿真,基本学会了如何进行各个参数的设置和计算,了解了 一些故障的解决办法，为以后的工作和学习奠定了一定的基础。六、参考文献1、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，1997.2、华亮，沈申生。Matlab/Simulink在单相交流调压电路仿真中的应用.电力学报.20053、张宝生，王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用电气电子教学学报.20044、林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真北京：中国电力出版社.2009.5、黄忠霖.MATLAB符号运算及其应用.北京：国防工业出版社,2007.