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1、1电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计 题目：题目：降压直流斩波电路降压直流斩波电路院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级：学学 号：号：学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：起止时间：起止时间：2摘摘 要要直流-直流变流电路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，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它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，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，因此也称带隔离的直
2、流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：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，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。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。关键字：直流斩波，降压斩波第第 1 章章 电路总体设计方案电路总体设计方案1.1 设计课题任务设计课题任务设计一个直流降压斩波电路。1.2 功能要求说明功能要求说明将 24V 直流电压降压输出并且平均电压可调，范围为 0-24V。1.3 设计总体方案和设计原理设计总
3、体方案和设计原理降压斩波电路的原理图以及工作波形如图 1.1 所示。该电路使用一个全控型器件 V，图中为 IGBT。为在 V 关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管 VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。3图图 1.1 降压斩波电路原理图降压斩波电路原理图如图 1.2 中 V 的栅极电压 uGE波形所示，在 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按指数上升。当 t=t1时刻，控制 V 关断，负载电流经二极管 VD 续流，负载电压 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，通常是串
4、联的电感 L 值较大。至一个周期 T 结束，在驱动 V 导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图 1.2 所示。负载电压平均值为式 1.1EETEUonoffonont ttto式中，ton为 V 处于通态的时间；toff为 V 处于断态的时间；T 为开关周期；为导通占空比。由式 1.1 可知，输出到负载的电压平均值 Uo最大为 E，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称 buck 变换器。负载电流平均值为REUImo o4图图 1.2 降压斩波电路的工作波形降压斩波电路的工作波形第第 2 章章 电路的设计电路的设计2.1 IG
5、BT 驱动电路的设计驱动电路的设计IGBT 的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器 LM358 产生矩形波。5图图 2.1 LM358 的引脚图的引脚图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。描述：运放类型:低功率放大器数目:2针脚数:8工作温度范围:0C to -70C封装类型:SOIC-3dB 带宽增益乘积:1.1MHz变化斜率:0.6V/s器件标号:35
6、8电源电压 最大:32V电源电压 最小:3V安装器件:表面安装6图图 2.2 比较器产生方波电路图比较器产生方波电路图其中 2、3 口是输入口 4、6 接直流电源电压 1 为输出口。第第 3 章章 电路各元件的参数设定及元件型号选择电路各元件的参数设定及元件型号选择73.1 各元件的参数设定各元件的参数设定1. IGBT 的参数设定图图 3.1 IGBT 的简化等效电路以及电气图形符号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
7、 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。表表 3.1 IGBT 模块的术语及其说明模块的术语及其说明图图 3.2 降压斩波电路电路图降压斩波电路电路图8图图 3.3 降压斩波总电路图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。图图 3.4 IGBT 的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性UGE(th)随温度的升
8、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：式式 3.1REmee RE RE eeIm Tt )11()11(/min1 式式 3.2REmee RE RE eeIm Tt )11()11(/max1 式中，；。/TEEmm/T Ttt1 1/若取为 10，则：R9ARI22/220max2. 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 导通是的电源电压 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。AI22max3. 电感的参数设
9、定由于电感 L 要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择 L 的值为1。mH3.2 元件型号选择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VVAA向电压为 220。V选择 IGBT 的型号为IRG4PC40U 其额定电压为 600，额定电流为 40。VA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。VA10第第 4 章章 系统仿真及结论系统仿真及结论4.1 仿真软件的介绍仿真软件的介绍此次仿真使用的是 MATLAB 软
10、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
11、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
12、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MATLAB 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。4.2 仿真电路及其仿真结果仿真电路及其仿真结果111.仿真电路图图图 4.1 降压斩波的降压斩波的 MATLAB 电路的模型电路的模型122MATLAB 的.仿真结果如下：图图 4.24.2 =0.2=0.2 时的仿真结果时的仿真结果图图 4.3
13、4.3 =0.4=0.4 时的仿真结果时的仿真结果图图 4.44.4 =0.6=0.6 时的仿真结果时的仿真结果图图 4.54.5 =0.8=0.8 时的仿真结果时的仿真结果13图图 4.64.6 =0.99=0.99 时的仿真结果时的仿真结果4.3 仿真结果分析仿真结果分析由公式可得：EETtEtttUoonoffonon当时，=442 . 0OUV=0.4 时，=88。OUV=0.6 时，=132。OUV=0.8 时，=176。OUV=0.99 时，=217.8。OU上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以没有误差。14第第 5 章章 心得体会心得体会经过近一个星期的努力我终于顺利
14、的完成了此次电力电子的课程设计，其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。遇到的问题和困难：(1) 在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数。(2) 在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件。(3) 在用 MATLAB 软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。学到的知识：(1) 通过这次课程设计我夯实了电力电子的基础知识。(2) 对直流斩波有了更深层次的理解。(3) 对 MATLAB 软件和电路原理图的设计有了初步了解。(4) 在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努
15、力才能打败困难，获得更多以的知识。15参考文献参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术.5 版.北京.机械工业出版社，2009.52 康华光. 电子技术基础模拟部分.5 版.北京.高等教育出版社，2006.13 邱关源，罗先觉. 电路.5 版.北京.高等教育出版社，2006.54 曹开成，张丹，罗雪莲.电路与电子技术实验.长沙.中南大学出版社，200916致致 谢谢对于这次课程设计的顺利完成，我首先要感谢曹志平老师，是他上课细心的给我讲解了许多关于 IGBT，二极管等电子元器件的相关知识并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向曹老师表示我最衷心的感谢。同时，在我的设计过程中得到的学校许多的同学的热情的指导和详细的说明。此外，在遇到许多的不解困难的时候自己班里的同学也给我提供的最详细的解答，没有以上的每一个人的帮助，我的电力电子课程设计很难顺利的完成，在此，我对于在我的设计过程中给予我帮助的每一个人一并表示感谢。17附录附录 电子元器件表电子元器件表名称型号数量 二极管HFA25TB601 IGBTIRG4PC40U1 直流电源220V1 电感1mH1 电阻101
