湖南工程学院2014直流降压斩波电路课程设计.doc

等级:
湖南工程学院应用技术学院

课 程 设 计

课程名称 电力电子技术
课题名称 DC-DC变换电路分析

专 业 电气工程
班 级
学 号
姓 名
指导教师 李祥来

2014 年 月 日

湖南工程学院
课程设计任务书

课程名称： 电力电子技术
题 目：DC-DC变换电路分析

专业班级： 电气1184
学生姓名：
学号：
指导老师：
审 批：

任务书下达日期 2014年月日
设计完成日期 2014年月日

设计内容与设计要求
一． 设计内容：
1、 分析研究DC-DC变换电路（Buck电路）；
2、 用MATLAB对设计的电路进行仿真；
3、 根据仿真结果分析，电路各元件参数选择依据；
4、 完成报告撰写。

二． 设计要求：
1． 设计思路清晰，给出各种情况下的整体设计框图；
2． 给出具体设计思路和电路；
3． 分析各电路的原理，并进行相应的仿真；
4． 写出设计报告；

主要设计条件
1、 可提供实验与仿真条件

说明书格式
1． 课程设计封面；
2． 任务书；
3． 说明书目录；
4． 每个电路总体思路，基本原理和框图；
5． 驱动电路设计分析（驱动电路电路图）；
6． 电路实验、仿真等。
7． 分析总结；
8． 附录（完整电路图）；
9． 参考文献；
11、课程设计成绩评分表

前 言
直流-直流变流电路（DC-DC Converter）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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路，直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper）,它的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电，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，也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况。
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。
降压斩波电路（Buck Chopper）的设计与分析是接下来课程设计的主要任务。
。

目录

一．降压斩波电路 6
1.1 降压斩波原理： 6
1.2 工作原理 7
1.3 IGBT结构及原理 7
二． 直流斩波电路的建模与仿真 10
2.1IGBT驱动电路的设计 10
2.2电路各元件的参数设定 10
2.3元件型号选择 10
2.4仿真软件介绍 10
2.5仿真电路及其仿真结果 10
2.6仿真结果分析 10
三．课设体会与总结 21
四．附录（完整电路图） 21
五．参考文献 21
六．课程设计成绩表 21

一．降压斩波电路
1.1 降压斩波原理

降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图及工作波形如下图所示。该电路使用一个全控器件V，图中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置是晶闸管关断的辅助电路。图中，在为V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示。若负载中无反电动势时，只需令EM=0.以下的分析及表达式均可适用。
由图b中V的栅射电压UGE波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向载提供电，负载电压U0=E，负载电流I0按指数曲线上升。
负载电压的平均值，和负载电流的平均值：

式中为V处于通态的时间；为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：
1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为PWM。
2） 保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3） 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

1.2 工作原理
1）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按指数曲线上升。
2）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使串接的电感L值较大 。
3）t=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述过程。

l 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析
l 从能量传递关系出发进行的推导
l 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变
l 电源只在V处于通态时提供能量，为E
l 在整个周期T中，负载消耗的能量为（RT+T）
一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等

输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器
该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断时给负载的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况均会出现反电动势。
1.3 IGBT结构及原理
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

方法
IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 一个空穴电流(双极)。
关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

二． 直流斩波电路的建模与仿真
2.1 IGBT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。

图2.1.1 LM358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。

图2.1.2 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。

2.2 电路各元件的参数设定
1. IGBT的参数设定

图2.2.1 IGBT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2.2.2 IGBT模块的术语及其说明

图2.2.3 降压斩波电路电路图
图2.2.4 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2.2.5 IGBT的转移特性和输出特性
UGE(th)随温度的升高略有下降，温度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C时，UGE(th)的值一般为2-6V。
参考电力电子技术课本可得：
式 3.1
式 3.2
式中，；；。
若取为10，则：

2. 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导通时的电源电压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。
3. 电感的参数设定
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。
2.3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的最大反向电压为220。
选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600，额定电流为40。
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。

2.4 仿真软件的介绍
此次仿真使用的是MATLAB软件。
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。
2.5仿真电路及其仿真结果
1.仿真电路图

图2.5.1 降压斩波的MATLAB电路的模型

2.MATLAB的.仿真结果如下：

图2.5.2 =0.2时的仿真结果

图2.5.3 =0.4时的仿真结果

图2.5.4 =0.6时的仿真结果
图2.5.5 =0.8时的仿真结果

图2.5.6 =0.99时的仿真结果
2.6 仿真结果分析
由公式可得：
当时，=44
=0.4时，=88。
=0.6时，=132。
=0.8时，=176。
=0.99时，=217.8。
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。

三．课设总结与体会

四.附录（完整电路图）

五．参考文献
进 度 安 排
第1周星期一:课题内容介绍和查找资料；
星期二: 熟悉基本直流斩波电路；
星期三: 分析直流斩波电路；
星期四: 分析直流斩波电路；
星期五 设计直流斩波电路；

第2周星期一: 设计直流斩波电路；
星期二：实验仿真、波形分析、参数计算等
星期三~四:写设计报告，打印相关图纸；
星期五:答辩及资料整理
参 考 文 献
[1]．石玉 栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
[2]．王兆安 黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
[3]．浣喜明 姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
[4]．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
[5]．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
[6]．刘祖润 胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
[7]．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
[8]．康华光,陈大钦．电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1998：451—459．
[9]．薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10

电气工程系课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性(10%)

硬件设计或软件编程完成情况(10%)

硬件测试或软件调试结果*(10%)

设计说明书质量(10%)

设计图纸质量(10%)

答辩汇报的条理性和独特见解(10%)

答辩中对所提问题的回答情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况（10%）

综 合 评 分

指导教师签名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。