摘要直流—直流交流電路的功能是將直流電變成另一固定電壓或可調電壓的直流電，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變成另一固定或可調電壓的直流電，一樣是指直接將直流電變成另一直流電，這種情形下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路在直流交流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，通常采納變壓器實現輸入輸出間的隔離。本次設計將針對斬波電路實現變流。直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的DC-DC變換器,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各類用電設備中取得一般的應用.隨之顯現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、起落壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被普遍用于開關電源及直流電動機驅動中，使其操縱取得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的成效。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域取得了普遍的應用。 直流斬波電路種類包括六種大體斬波電路，本次設計將利用降壓斬波電路（BuckChopper）。關鍵詞：直流斬波；降壓斬波；IGBT目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要…………………Ⅰ第一章整體設計方案………………1設計任務…………………1功能要求說明………………1設計方案及設計原理………1設計總電路…………1設計電路原理………1第二章電路設計…………………4降壓斬波主電路設計………4電路數學分析………4參數確信……………5IGBT驅動電路設計………6整流電路設計……………6整流電路選取………6整流電路分析………7第三章系統(tǒng)仿真及結果分析………8仿真軟件簡介………………8仿真電路及參數設置………8仿真結果及分析…………11終止語………………14參考文獻……………15附錄總電路圖……………………16 電路整體設計方案設計任務 IGBT降壓斬波電路設計（純電阻負載）。功能要求說明一、輸入直流電壓：Ud=100V；二、輸出功率：300W；3、開關頻率5KHz；4、占空比10%~90%；五、輸出電壓脈率：小于10%。設計方案及設計原理設計總電路確信降壓斬波器電路如圖所示：圖降壓斬波（buck）電路原理圖此電路利用一個全控型器件T，圖中為IGBT。并設置了續(xù)流二極管D，在T關斷時給負載中電感電流提供通道。這種電路的電壓源性質，負載為電源性質。電路完成把直流電壓轉換為較低的直流電壓的功能。設計原理為了分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導，對圖做如下假設：（1）IBGT二極管是理想元件，即能夠剎時導通或截止，沒有導通壓降（導通時電阻為0），截止時沒有漏電流。（2）電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯電阻為零。（3）輸出電壓中的紋壓與輸出電壓的比值很小，能夠忽略。那么buck電路將有兩種工作狀態(tài)： （1）當IGBT導通如圖（a）所示，電源向負載供電，續(xù)流二極管因反向偏置而截止，電容開始充電，直流通過電感L向負載傳遞能量。現在，電感電流線性增加，貯存的磁場能量也慢慢增加。負載R流過電流，兩頭輸出電壓上正下負。在一個開關周期內IGBT管T導通時刻為。（2）當IGBT阻斷如圖（b）所示，由于電感電流不能突變，故通過二極管D續(xù)流。電感電流慢慢減小，電感上的能量慢慢消耗在負載上，電感電流降低，L上儲能減小。電感電流減小時，電感兩頭的電壓改變極性，二極管D經受正向偏壓而導通，組成續(xù)流通路，負載電壓仍然是上正下負。當電感電流小于負載電流時，電容處于放電狀態(tài)，以維持和不變。在一個開關周期內IGBT管T斷開時刻為-。 圖Buck電路電感電流持續(xù)的工作狀態(tài)概念IGBT管的導通時刻與開關周期的比值為占空比，用表示依照上面的分析，繪出輸入輸出電壓波形如圖所示。Buck電路持續(xù)工作模式那么由波形可知，Buck電路能夠實現直流輸入、降壓直流輸出。第二章電路的設計降壓斬波主電路設計 降壓斬波主電路如圖中除電源與觸發(fā)電路后的部份。電路數學分析 主開關導通時，Buck電路工作于圖（a）的狀態(tài)。電源電壓通過T加到二極管D的兩頭，二極管D反向截止。電流過電感，穩(wěn)態(tài)時輸入輸出電壓維持不變，那么電感兩頭電壓的極性為左正、右負，忽略管壓降有.由于儲能電感的時刻常數遠大于開關周期，因此在該電路電壓的作用下輸出濾波電感中的電流可近似以為是線性增加，直到時刻，達到最大值.電感電流線性上升的增量為：（2-1-1）當主開關管截止時，Buck電路工作在（b）的狀態(tài)。電感兩頭的電壓極性為左負、右正，二極管導通續(xù)流，忽略管壓降有，一樣能夠以為電感中電流可近似以為是線性下降，下降量絕對值為：（2-1-2）當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感波形必然周期重復，開關管T導通期間電感中的電流增加量等于其截止時電感中的減少量，即（2-1-3）聯合式（2-1-1）和（2-1-3）可得：（2-1-4）由式（2-1-4）可知，改變輸出電壓的方法既能夠調整輸入電壓，也能夠改變占空比。在輸入電壓必然的情形下，改變占空比那么可操縱輸出平均電壓。輸出平均電壓老是小于輸入電壓。持續(xù)導通模式下Buck電路的電壓增益M為（2-1-5）參數確信當電感較小、負載電阻較大，那么負載電路的時刻常數較小，或當開關周期較大時，將顯現電感電流已下降到0，但新的周期卻沒有開始的情形，即顯現了電感電流斷續(xù)。若是在時刻電感電流恰好降到零，那么為電感電流持續(xù)的臨界狀態(tài)，如圖?，F在負載電流和間的關系為圖電路電感電流處于臨界狀態(tài)（2-1-6）其中（2-1-7）聯合式（2-1-2）、式（2-1-6）和式（2-1-7）用下標C表示臨界參數值，那么（2-1-8）式中為輸出功率（W），。通過電容的電流對電容充電產生的電壓，與參數的關系表達式為：(2-1-9）那么依照要求的和其他參數可求得電路的電容：（2-1-10）依照設計要求，開關頻率為5KHz（Ts=1/5000），輸入電壓為直流100V,選擇負載電阻為20Ω，確信占空比為Dc=25%。依照式（2-1-8）選擇電感那個值是電感電流持續(xù)與否的臨界值，要保證電感電流持續(xù)，實際電感值可選倍臨界電感，可選。依照式（2-1-10）選擇電容：輸出脈率要小于10%，選為2%，那么有IGBT驅動電路設計本設計以ICL8038為核心，實現占空比可變電壓信號的輸出以觸發(fā)IGBT。ICL8038是一種具有多種波形輸出的周密振蕩集成電路,只需調整個別的外部元件就能夠產生從～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還能夠由電流或電阻操縱。另外由于該芯片具有調頻信號輸入端,因此能夠用來對低頻信號進行頻率調制。 ICL8038的引腳圖如下圖。圖ICL8038引腳圖方波信號由函數發(fā)生器ICL8038產生的原理圖如下圖圖ICL8038用于方波波信號發(fā)生整流電路設計整流電路選取本設計采納橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.對整流出來的電壓進行傅里葉變換得:（2-3-1）由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采納RC濾波器,因為電容濾波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中。因此本電路選用電容濾波.因為本電路要求有穩(wěn)固的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓。整流電路的原理圖如下圖：圖整流電路圖整流電路分析如下圖，輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為1）后輸出100V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3、D4截止，電壓上正下負。當同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導通，電壓一樣是上正下負，從而實現整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯一個電感能夠提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯一個大電容能夠濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，能夠取得比較理想的直流電壓（幅值為100V左右）。第三章系統(tǒng)仿真及結果分析仿真軟件簡介 這次仿真利用的是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，無需大量書寫方程，而只需通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。 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，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被普遍應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字操縱及數字信號處置的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個成立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）,那個創(chuàng)建進程只需單擊和拖動鼠標操作就能夠完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶能夠當即看到系統(tǒng)的仿真結果。仿真電路及參數設置 仿真電路如圖。 具體參數設置如下：（1）直流電壓值為100V，設置如下圖。圖電壓參數設置圖降壓斬波的MATLAB電路的模型（2）電阻R值設為20Ω，如下圖。圖電阻參數設置（3）電感L值設為，如下圖。圖電感參數設置（4）電容C值設為1e-3F，如下圖。圖電容參數設置（5）開關頻率要求5KHz，設置周期為2e-4s，依次調劑占空比，如圖所示。圖周期及占空比參數設置（6）設置示波器的顯示時刻范圍為，如下圖。圖示波器顯示范圍參數設置仿真結果及分析調劑觸發(fā)信號，使IGBT的開關頻率為5KHz、觸發(fā)信號電壓占空比為=25%，通過示波器觀看參數IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL波形，如圖。 圖占空比Dc=25%各測量參數波形 調劑觸發(fā)電路，輸出不同占空比的矩形波信號，并別離測觸發(fā)波形和輸出電壓波形，如圖~。 圖占空比Dc=40%觸發(fā)信號與輸出信號 圖占空比Dc=60%觸發(fā)信號與輸出信號 圖占空比D=80%觸發(fā)信號與輸出信號 圖占空比D=99%觸發(fā)信號與輸出信號 圖從上到下的波形依次為IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL。電感電流持續(xù)，波形與圖的理論波形規(guī)律一致。 由公式，，可得： 當=，理論值=25V，仿真值=。相對誤差%； 當=，理論值=40V，仿真值=。相對誤差%； 當=，理論值=60V，仿真值=。相對誤差%； 當=，理論值=80V，仿真值=。相對誤差%； 當=，理論值=99V，仿真值=。相對誤差%。 仿真所得數據與理論值相對誤差符合設計要求。終止語 通過幾天的盡力我終于順利完成了這次電力電子的課程設計，在那個進程中碰到了許多困難但通過解決困難也學到了很多知識。 第一，一開始著手設計時對電路的選擇比較茫然，不明白如何下手。通過熟悉教材相關章節(jié)和在線搜索相關知識，使問題取得了解決。然后，在確信好設計電路后，計算元器件參數時由于缺乏理論基礎不明白如何計算相應參數。在熟悉了電路原理和電路各點電壓或電流參量的推導后問題也取得解決 后來在進行MATLAB仿真時由于對軟件不熟悉，碰到了很多操作上的問題，而且對元器件庫不了解，致使花費了很多時刻才達到預期的成效。只是通過自己不斷的試探此刻對Simu