湖南工程學院應用技術(shù)學院課程設計課程名稱電力電子技術(shù)課題名稱DC-DC變換電路分析專業(yè)電氣工程班級學號姓名指導教師李祥來2014年月曰課題名稱DC-DC變換電路分析湖南工程學院課程設計任務書課程名稱：電力電子技術(shù)題目：DC-DC變換電路分析專業(yè)班級：電氣1184學生姓名：學號：指導老師：審批：任務書下達日期2014年月日設計完成日期2014年月日設計內(nèi)容與設計要求.設計內(nèi)容：1、分析研究DC-DC變換電路（Buck電路）;2、用MATLAB對設計的電路進行仿真；3、根據(jù)仿真結(jié)果分析,電路各元件參數(shù)選擇依據(jù)；4、完成報告撰寫。.設計要求：設計思路清晰，給出各種情況下的整體設計框圖；給出具體設計思路和電路；分析各電路的原理，并進行相應的仿真；寫出設計報告；主要設計條件1、可提供實驗與仿真條件說明書格式課程設計封面;2.任務書；說明書目錄；每個電路總體思路，基本原理和框圖;驅(qū)動電路設計分析（驅(qū)動電路電路圖）;電路實驗、仿真等。分析總結(jié)；附錄（完整電路圖）；參考文獻；II、課程設計成績評分表直流-直流變流電路（DC—DCConverter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電,包括直接直流變流電路和間接直流變流電路，直接直流變流電路也稱斬波電路（DCChopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蛘呖烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為帶隔離(完整word版)湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計..的直流-直流變流電路或直一交一直電路。習慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況,且甚至更多地指后一種情況.直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎(chǔ)。降壓斬波電路(BuckChopper)的設計與分析是接下來課程設計的主要任務。目錄TOC\o"1-5"\h\z降壓斬波電路6\o"CurrentDocument"1。1降壓斬波原理:6\o"CurrentDocument"1。2工作原理81.3IGBT結(jié)構(gòu)及原理8\o"CurrentDocument"直流斬波電路的建模與仿真112。1IGBT驅(qū)動電路的設計錯誤!未定義書簽。2.2電路各元件的參數(shù)設定錯誤!未定義書簽。2。3元件型號選擇錯誤!未定義書簽。2。4仿真軟件介紹錯誤!未定義書簽。2.5仿真電路及其仿真結(jié)果錯誤!未定義書簽。2.6仿真結(jié)果分析錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z課設體會與總結(jié)19\o"CurrentDocument"附錄（完整電路圖）19參考文獻19課程設計成績表19一.降壓斬波電路1.1降壓斬波原理降壓斬波電路（BuckChopper）的原理圖及工作波形如下圖所示。該電路使用一個全控器件V,圖中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置是晶閘管關(guān)斷的輔助電路。圖中,在為V關(guān)斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中EM所示。若負載中無反電動勢時，只需令EM=0。以下的分析及表達式均可適用。由圖b中V的柵射電壓UGE波形可知，在t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向載提供電，負載電壓U0=E，負載電流I0按指數(shù)曲線上升。負載電壓的平均值和負載電流的平均值：U=—on=-onE=aE0七+yTi=u^0R式中ton為V處于通態(tài)的時間；tf為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；a為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取８鶕?jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間七，稱為PWM。2）保持開關(guān)導通時間七不變，改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3）匕和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1。2工作原理t=0時刻驅(qū)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(shù)曲線上升。t=t1時刻控制V關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大。t=t2時刻，再次驅(qū)動V導通，重復上述過程。?基于〃分段線性"的思想，對降壓斬波電路進行解析?從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為E10匕在整個周期T中，負載消耗的能量為(R10T+emi0T)一周期中忽略損耗測電源提供的能量與負載消耗的能量相等U=on=-onE=aE0七+LTI=U^0R輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器該電路使用一個全控器件V，途中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為在V關(guān)斷時給負載的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個拖動直流電動機，也可以帶蓄電池負載，兩種情況均會出現(xiàn)反電動勢。（完整word版）湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計..1.3IGBT結(jié)構(gòu)及原理IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。集轍C）方法IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化.由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT技術(shù)高出很多.較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙極器件相比,可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。導通IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層（NPT-非穿通一IGBT技術(shù)沒有增加這個部分）。如等效電路圖所示（圖1）,其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽迷诠荏w的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0。7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲:一個電子流（MOSFET電流）；一個空穴電流（雙極）.關(guān)斷當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）.這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上問題更加明顯.鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系.因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。（完整word版）湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計..二.■流斬波電路的建模與仿真2。1IGBT驅(qū)動電路的設計IGBT的驅(qū)動是矩形波，所以我選擇了由比較器LM358產(chǎn)生矩形波。2。1。1LM358的引腳圖LM358簡介：LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p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(guān)。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。圖2。1.2比較器產(chǎn)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。2.2電路各元件的參數(shù)設定1。IGBT的參數(shù)設定路術(shù)語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)射極間短路時的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流L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(jié)溫Tj兀件連續(xù)工作時芯片溫廈關(guān)斷電流】CES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的隹壓時的集電極電流。圖2.2.1IGBT的簡化等效電路以及電氣圖形符號表2。2.2嶼日丁模塊的術(shù)語及其說明圖2。2.3降壓斬波電路電路圖圖2。2。4降壓斬波總電路圖由圖3.2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。4阪河阻版國k1f盲圜區(qū)%岫"沖JzJ04咯w圖2。2.5IGBT的轉(zhuǎn)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1°C，其值下降5mV左右.在+25°C時，Uge（比）的值一般為2—6V。參考電力電子技術(shù)課本可得：Imin=（竺工）E-上=（竺二-m）EeT/t-1RRep-1R式3.1Imax=（I一"t）E-上=（上工-m）E1-e-t/tRR1-e-pR式3.2式中，p=T/t；m=E/E；t1/i若取R為10Q,則:I=220/R=22A2.續(xù)流二極管VD的參數(shù)設定（完整word版）湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計..VD所承受的最大反向電壓是當IGBT導通時的電源電壓100V。所承受的最大電流是當IGBT關(guān)斷瞬間電感L作用在VD上的電流，此電流為I22A。3。電感的參數(shù)設定max由于電感L要盡量大一些否則會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況，所以選擇L的值為1mH。2.3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440v-660v.額定電流33a—44a，二極管VD與其類似，VD的最大反向電壓為220v。選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600V,額定電流為40A。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，其而定電壓為600V，額定電流為25A。2。4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(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)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(gòu)造出復雜(完整word版)湖南工程學院2014直流降壓斬波電路課程設計..的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)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。Simulink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(huán)境,是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中.Simulink可以用連續(xù)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(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®；是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試.。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)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(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。2.5仿真電路及其仿真結(jié)果1.仿真電路圖:d誨鑿更幕乾圍avi±VN°乙回咽91囹flxniVNt°szS,卜—一—?.―[irJE..艮祺哉鑿1蜘年戢出可割嘿草譏0乙駕志哉工圍聯(lián)國（P」OM蠹當）圖2.5。2a=0。2時的仿真結(jié)果圖圖2。5.3a=0。4時的仿真結(jié)果圖圖2.5.4a=0。6時的仿真結(jié)果圖2.5。5a=0.8時的仿真結(jié)果2。5。6a=0.99時的仿真結(jié)果2.6仿真結(jié)果分析由公式Uo=、E=、E=aE可得：吭*丁當a=0.2時，U=44Va=0.4時，U=88V。a=0.6時，U=132V。a=0。8時,U=176V.a=0。99時°,Uo=217.8.上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。三.課設總結(jié)與體會I.附錄（完整電路圖）五.參考文獻進度安排第1周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料;星期二：熟悉基本直流斬波電路；星期三：分析直流斬波電路；星期四：分析直流斬