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1、电力电子课程设计一升压式DC_DC变换器设计及其傅立叶分 析班 级：电气0902学 号：姓 名：扬州大学 能源与动力工程学院电气工程及其自动化专业二零一三年三月一 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方法；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、题目升压式DC/DC变换
2、器设计及其傅立叶分析三 课程设计的内容1. 主电路方案确定2. 绘制电路原理图、分析理论波形3. 器件额定参数的计算4. 建立仿真模型并进行仿真实验5. 电路性能分析：输出波形、器件上波形、参 数的变化、谐波分析、故障分析等四 、仿真软件的使用1、MATLABSimulink 是 The MathWorks 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。目录一、主电路方案的确定及其原理4二、绘制电路原理图及分析理论波形4三、
3、器件额定参数的计算7四、建立仿真模型并进行仿真实验8五、电路性能分析：傅立叶分析11六、小结14七、参考文献14一、主电路方案的确定及其原理在电源vs与负载之间串接一个通、断控 制的开关器件，是不可能使负载获得高于电源电 压vs的直流电压的。为了获得高于电源电压 v s的直流输出电压vo, 一个简单而有效的 办法是在变换器开关管前端插入一个电感L,如 图（a）所示。在开关管T关断时，利用图（c） 中电感线圈L在其电流减小时所产生的反电动 势e L（在电感电流减小时，e L = L d i L/d t为正值）与电源电压VS串联相加送 至负载，则负载就可获得高于电源电压VS的 直流电压V0。图（a
4、）就是在这一思想启发 下,利用一个全控型开关管T和一个续流二极管 D加上电感、电容构成的直流/直流升压变换 器BoostDC/DC变换器。BoostDC/DC变换器是输出直流 电压平均值V0高于输入电压VS的单管不隔离直流变换器，图（a）中，Boost变换器中电感L在输入侧，称为升压电感。开关管T 仍为PWM控制方式，和Buck变换器一 样Boost变换器也有电感电流连续和断流 两种工作方式，图（e）和（f）给出了这两种 工作方式下的主要波形图。图（b）、（c）、（d） 为Boost变换器在不同开关状态时的等效 电路。当电感电流连续时，Boost变换器存 在两种开关状态，如图（b）和（c）所示
5、；而 当电感电流断流时，Boost变换器还有第三 种开关状态，如图（d）所示。二、绘制电路原理图及分析理论波形这里我们讨论两种开关状态1.两种开关状态（1）开关状态1：从t = 0到Ton = DTS期间，开关管T导通，二极管D截止，等 效电路如图（b）所示。电源电压VS加到升 压电感L上，电感电流iL线性增长：LdiL/dt=VS当上=Ton = DTS时，iL达到最大值Ima。在T导通期间，iL的增量 iL+为:AiL+ =VSLTon =VSLDTS在开关状态1,由于二极管D截止，负载由滤波电容C供电，选用足够大的C值，可使V 0变化很小。(2)开关状态2：从t=Ton到TS的Toff期
6、间T阻断D导通 等效电路如图(c)所示。(a)电跻诽构(b) T导適,DVS，故iL线性减小: LdiL/dt=VS -VO 经历Toff = TS-Ton时期后，iL达到最小值I Lmin。在T截止期间，减少量A iL 为：A iL =V0 VSL(TS Ton)=VO VSL(1D)TS此后，T又导通，开始另一个开关周期。，Bo ost变换器电源的输入电流就是升压电感L 电流 电流平均值IL=IS=(ILmax + ILmin) /2。开关管T和二极管D轮流工 作, T导通时，电感电流iL流过T； T截止、 D导通时，电感电流iL流过D。电感电流i L是T导通时的电流iT和D导通时的电流i
7、D的合成。在周期TS的任何时刻，iL都不 为零，即电感电流连续。稳态工作时，电容C充 电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，故 通过二极管D的电流平均值就是负载电流I0=12 .变压比M和电压、电流基本关系 稳态工作时，T导通期间，电感电流的增量A iL+等于它在T截止期间的减少量A iL ，可得到升压比M： M = VO / VS =1 /(1 D)在每一个开关周期中，电感L都有一个储能和能 量通过二极管D的释放过程，也就是说必须有 能量送到负载端。因此，如果该变换器没有接负 载，则不断增加的电感储能不能消耗掉，必然会 使VO不断升高，最后使变换器损坏。实际工 作中，为防止输出电压过高Bo
8、ost变换器 不宜在占空比D接近于1的情况下工作。 Boost变换器在电流连续条件下其变压比 M也仅与占空比D有关而与负载电流无关。 通过二极管D的电流平均值ID等于负载电 流平均值10，即ID=IO。电感电流的脉 动量:V 呂 a D Q 7 + f =云 D = 由于电源输入功率vs I S=V0 10 ,故电 源电流is =VOIO/Vs = I 0/ (1- D)。由图通过T和D的电流最大值ITmax和I Dmax与电感电流最大值ILmax相等， 即：Am” =i4 =上 q+。笃/ %T和D截止时所承受的电压VT和VD均为 输出电压VO，即VT =VD =V0 输入电流iS的脉动量A
9、 I S等于电感电流i L的脉动量A IL：输出电压脉动量AVO等于开关管T导通期间 电容C向负载放电引起的电压变化量AVO可近似地由下式确定:%_小丄丄_厂長三、器件额定参数的计算电感电流连续时VO =VS1 D,得到D = 1-VS/VO。又VO 48V。当VS= 10V时,D= 0.7 9 2；当VS = 30V时,D= 0. 3 7 5。电源电压VS变化时， 2。占空比D的变化范围是0. 3 7 50EJ临界负载电流IOBIOB =VO2LfSD (1-D)2D=1/303 3 4时，I OB有最大值 IOBm =VO 2 7 2 Lf S。D 值越接近0 3 3 4, I OB 大。
10、令最小负载电流IOmin大于临界负载电流I OB，由(3-4 5 )式，即 IO minVO2LfSD (1-D2 ，贝山L2取L=0 5mHoH = 0.42 mH48 X 0.375 X Q 0.375) 2 X 40 X 10 X 0.20S验算：L=0 5mH, D=03 7 5时，临 界负载电流为：=0.208 Ao确保了电感电流连续，M =X=11a输出电压纹波:【才雄 0.01 X40X101Hz = 0.505 kHz负戦电阻R趣小则翹大，最小电阻尺血=%/入治=48/2”站D=231KAC w 23X1odglx 1WF W6 nFc ltw 匸F2 Y密耳县723xsl2i
11、ni早售頁 435%H0lgzx40xw Hobcs次八一汰”謙和ywfe一 ETMt(b)电感电流断流时主要波形IinaSI再-102d-3dDD5ODSD.CEDD5D. DE 05五、电路性能分析：傅立叶分析傅立叶分析：傅里叶分析，又称调和分析， 是数学的一个分支领域。它研究如何将一个函数 或者信号表达为基本波形的叠加。它研究并扩展 傅里叶级数和傅里叶变换的概念。基本波形称为 调和函数，调和分析因此得名。在过去两个世纪 中，它已成为一个广泛的主题，并在诸多领域得 到广泛应用,如信号处理、量子力学、神经科学 等。我们在 Matlab 得到的仿真波形中可以直接 得出傅立叶分析出来的波形以下为
12、傅立叶分析图(a)电感电流连续时主要波形iLiTiDVLd icfd Ilf4d icf(b)电感电流断流时主要波形iLiTiDVLd icfi irf六、小结为期一个半星期的电力电子课程设计结束 了，虽然还带着些许疑问，不过这一切可能在未 来或者更为出色的人去探讨，在这大四最后的一 学期，也算是屈指可数的几个设计了，留给我的 印象是非常深刻的，不但还没有学的透彻而且还 有更多的需要探讨。起初老师布置给我们的任务看似简单明了， 但是随着课题的选择就出现了麻烦，许多东西有 印象但是却不能去完整的表述和理解，在最开始 就出现了麻烦；但是在我们继续跟老师请教后我 们还是选出了合适自己的课题；在复习了
13、先前的 知识以后，才对所要求的电路有一个大概的了 解，可是，拦路虎始终都会出现，此次课程设计 最核心的部分就是用 Matlab 仿真，这个软件我 们却从来没用过，这对我们来说是一个很大的挑 战，在满是英文的界面里寻找我们需要的模块， 给了我们好大的压力，我们每天都缠着老师，让 他们在继续教我们一下，回去又在宿舍里不断练 习，所谓勤能补拙，熟能生巧，应该也是这样吧， 几天过去了，总算能很快找到模块接好电路；出 波形时，又很难调试出跟理论上相似的波形，为 此我们上网查原因，去图书馆查资料，总算得出原因，大家一起努力得出了波形，感受到了科研对于此次课程设计，要特别感谢刘老师和蒋 老师的悉心教导，在他们不厌其烦的教导下，我 们才能在短期内比较灵活的使用软件。以后还有 很多路要走，我们要从此次课程设计得到的经验 来走好我们的将来的路。七、参考文献
