1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)班級(jí)：建電1102班 學(xué)號(hào)： 姓名：葛嘉新 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院二一三年十二月目錄第一部分 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹- 1 -一、課程設(shè)計(jì)的題目- 1 -二、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容- 1 -1.設(shè)計(jì)階段- 1 -2.試驗(yàn)階段- 1 -第二部分 理論分析- 1 -一、直流降壓斬波電路的工作原理- 1 -二、直流降壓斬波電路的分析- 2 -三、電路元件分析- 4 -1.IGBT管（絕緣柵雙極晶體管）- 4 -2.二極管- 4 -3.電感- 4 -4.電容- 4 -第三部分 仿真實(shí)驗(yàn)- 4 -一、在SIMULINK平臺(tái)上搭建電路圖- 4 -二、基本功能仿真（保證負(fù)載波形連續(xù)時(shí)）-

2、5 -IGBT導(dǎo)通脈寬對(duì)電路的影響- 5 -三、電路特性仿真（保證負(fù)載波形連續(xù)時(shí)）- 7 -1.電感L的變化對(duì)電路輸出的影響- 7 -2.電容C的變化對(duì)電路輸出的影響- 9 -四、波形連續(xù)、斷續(xù)臨界條件的研究與仿真- 10 -1、電感L對(duì)于波形連續(xù)、斷續(xù)的臨界條件- 10 -2、電容C對(duì)于電感臨界條件的改變- 12 -五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論- 13 -第四部分 后記- 13 -一、感想與體會(huì)- 13 -二、參考資料- 14 -第一部分 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹一、課程設(shè)計(jì)的題目本次課程設(shè)計(jì)的題目為Buck變換器的研究。二、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)一個(gè)Buck變換器電路（即直流降壓斬波電路），分析其原理

3、，電路結(jié)構(gòu)，工作方式，電路性能，主要用途等。2.試驗(yàn)階段利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺(tái)，搭建模擬電路，設(shè)置電路參數(shù)、仿真參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果作比較，分析原因，進(jìn)而修改電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)等。最后，分析電路性能，觀察參數(shù)改變時(shí)仿真結(jié)果的改變，得出結(jié)論。第二部分 理論分析一、直流降壓斬波電路的工作原理直流降壓斬波變換電路產(chǎn)生一個(gè)低于直流輸入電壓Ud的平均輸出電壓Uo。一個(gè)具有純電阻負(fù)載的降壓變換的基本電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。假定開關(guān)是理想的，則瞬時(shí)輸出電壓決定于開關(guān)的通斷狀態(tài)。如圖1(b)所示，根據(jù)開關(guān)占空比可計(jì)算平均輸出電壓為：，即：。在連續(xù)導(dǎo)電的工作

4、模式中，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓與開關(guān)占空比成線性關(guān)系，而與其他任何電路參數(shù)無關(guān)，其實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。圖1 直流降壓變換的基本電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖圖2 直流降壓斬波變換實(shí)驗(yàn)電路圖二、直流降壓斬波電路的分析由圖3中的V的柵射電壓波形可知，在時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L值很大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為；式中，為V處于通態(tài)的時(shí)間；為

5、V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。由此式知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。故將該電路稱為降壓斬波電路。負(fù)載電流的平均值，若負(fù)載中的L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時(shí)刻，如圖3所示，負(fù)載電流已衰減至零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負(fù)載電壓平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式。1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。2）保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制。3）和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。圖3 直流降壓斬波電路理想波形圖三

6、、電路元件分析1.IGBT管（絕緣柵雙極晶體管）作用：控制電路的通斷，起到“斬波”作用。特點(diǎn)：IGBT是三端元件，具有很強(qiáng)的通流能力，導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間短，反應(yīng)靈敏。參數(shù)：當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為30V；而當(dāng)時(shí)，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流，反向擊穿電壓的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個(gè)要求。2.二極管作用：在IGBT關(guān)斷時(shí)，起續(xù)流作用。參數(shù)：當(dāng)=1時(shí)，其承受最大反壓30V；而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇額定電壓大于30V，額定電流大于1A的二極管。3.電感作用：穩(wěn)流，維持流過負(fù)載的電流大小

7、，起儲(chǔ)能作用。參數(shù)：為保持電流不變，應(yīng)取足夠大。4.電容作用：平波作用，通過IGBT開、關(guān)間隙不斷充放電，使流過負(fù)載的電流變化平滑。參數(shù)：根據(jù)實(shí)際需要選取。第三部分 仿真實(shí)驗(yàn)一、在SIMULINK平臺(tái)上搭建電路圖主要元件：電源（powerlib庫）、IGBT、電力二極管、電阻、電感、電容、脈沖觸發(fā)器及示波器等。所建立的電路圖如圖4所示。圖中示波器S1觀察的四蹤信號(hào)分別為電源電壓與電感L端電壓、通過負(fù)載電流與二極管端電壓、負(fù)載電壓及觸發(fā)信號(hào)；示波器S2僅觀察負(fù)載電壓信號(hào)。圖中脈沖發(fā)生器頻率為1000Hz，振幅1V，通過調(diào)其脈寬可以控制輸出電壓大小。仿真參數(shù)設(shè)置：起始時(shí)間為0s，終止時(shí)間視具體情況

8、而定。采用ode23tb (stiff/TR-BDF2)算法，步長(zhǎng)暫且設(shè)置為1e-6。圖4 SIMULINK仿真電路圖二、基本功能仿真（保證負(fù)載波形連續(xù)時(shí)）IGBT導(dǎo)通脈寬對(duì)電路的影響1）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.02s?，F(xiàn)象：負(fù)載兩端電壓會(huì)快速上升到50V，電流相應(yīng)變?yōu)?0A；電感兩端電壓的上下限電平：50V和-50V。2）參數(shù)：脈寬80%，L=5mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。現(xiàn)象：負(fù)載兩端電壓會(huì)快速上升到80V，電流相應(yīng)變?yōu)?0A；電感兩端電壓的上下限電平：30V和-80V。結(jié)論：直流降壓斬波電路輸出電壓與輸入電壓成比例，比例

9、值為觸脈寬，即，這與前面的理論分析結(jié)果相同。三、電路特性仿真（保證負(fù)載波形連續(xù)時(shí)）注：由于負(fù)載為阻性負(fù)載，負(fù)載上的電流、電壓波形相差不大，故以下只給出了負(fù)載端電壓的波形。1.電感L的變化對(duì)電路輸出的影響1）參數(shù)：脈寬50%，L=10mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.06s。2）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.06s。3）參數(shù)：脈寬50%，L=1mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.06s。4）參數(shù)：脈寬50%，L=0.5mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.06s。結(jié)論：從三幅圖的對(duì)比可以看出，L的值對(duì)電路影響較大。L越大，系統(tǒng)響應(yīng)越慢

10、，但波形平穩(wěn)；L越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但波形躁動(dòng)很大。增大L相當(dāng)于增大了系統(tǒng)的阻尼比，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)；相反，減小L則減小阻尼比，系統(tǒng)可能就會(huì)出現(xiàn)超調(diào)（L=1mH和0.5mH時(shí)），且L越小超調(diào)越大。所以，在選擇系統(tǒng)的電感值時(shí)，應(yīng)盡量取使系統(tǒng)保持臨界阻尼的電感值，這樣，系統(tǒng)響應(yīng)又快又穩(wěn)。2.電容C的變化對(duì)電路輸出的影響1）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=1e-4F，R=1，仿真時(shí)間00.04s。2）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=1e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.04s。3）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=5e-3F，R=1，仿真時(shí)間00.04s。4）參數(shù)：脈寬50%，L=5mH，C=1e-2

11、F，R=1，仿真時(shí)間00.04s。結(jié)論：從三幅圖的對(duì)比可以看出，C的值對(duì)電路影響也較大。C越大，系統(tǒng)響應(yīng)越慢，但波形平穩(wěn)；C越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但波形躁動(dòng)變大。但與電感相反的是，減小C相當(dāng)于增大了系統(tǒng)的阻尼比，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)；相反，增大C則減小阻尼比，系統(tǒng)可能就會(huì)出現(xiàn)超調(diào)（C=5e-3F和1e-2F時(shí)），并且C越大超調(diào)越大。所以，在選擇系統(tǒng)的電容值時(shí)，不應(yīng)太大或太小，太小使平波性能變差，太大使穩(wěn)定性能變差。四、波形連續(xù)、斷續(xù)臨界條件的研究與仿真在IGBT管隨觸發(fā)脈沖信號(hào)的變化而快速關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載端本應(yīng)獲得斷續(xù)的電壓、電流波形，但由于電感與二極管的續(xù)流作用及電容充放電過程的緩沖作用，負(fù)載端的

12、電壓、電流僅在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)甚至十分穩(wěn)定（前面已經(jīng)研究過）。本部分主要關(guān)注當(dāng)電阻、電感很小（接近于0）時(shí)負(fù)載端電壓的連續(xù)與斷續(xù)。1、電感L對(duì)于波形連續(xù)、斷續(xù)的臨界條件為了對(duì)照方便，不妨先僅考慮電感的影響，使電容為0。1）參數(shù)：脈寬50%，L=5e-4H，C=0F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。從圖中可看出負(fù)載端電壓波形等幅震蕩十分明顯，震蕩上下限分別為73V和27V。2）參數(shù)：脈寬50%，L=2e-4H，C=0F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。從圖中可看出負(fù)載端電壓波形等幅震蕩更加明顯，震蕩上下限分別為92V和0V。3）參數(shù)：脈寬50%，L=1e-4H，C=0F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。

13、從圖中可看出負(fù)載端電壓波形等幅震蕩已經(jīng)是最大的0100V，電壓降到0V后立即開始上升，說明這個(gè)狀態(tài)點(diǎn)是負(fù)載端電壓、電流波形連續(xù)的臨界狀態(tài)點(diǎn)。4）參數(shù)：脈寬50%，L=5e-5H，C=0F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。此時(shí)，波形已經(jīng)出現(xiàn)了很明顯的斷續(xù)。5）參數(shù)：脈寬50%，L=0H（沒有電感），C=0F，R=1，仿真時(shí)間00.02s。此時(shí)，電路相當(dāng)于無電感電容下，負(fù)載端電壓、電流的通斷與IGBT的觸發(fā)脈沖同步。結(jié)論：在減小電感L的過程中，確實(shí)會(huì)存在一個(gè)使電路連續(xù)到斷續(xù)的臨界狀態(tài)。2、電容C對(duì)于電感臨界條件的改變由于電容充放電帶來的緩沖作用，也可能使本該斷續(xù)的電路變?yōu)檫B續(xù)。當(dāng)電感L=5e-5H時(shí)

14、，電路本應(yīng)斷續(xù)（前面已經(jīng)研究過），但當(dāng)電容C=1e-4F時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。結(jié)論：觀察等幅震蕩的最低點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)，L=5e-5H是當(dāng)C=1e-4F時(shí)的負(fù)載端波形連續(xù)與斷續(xù)的連接狀態(tài)點(diǎn)，也就是說，電路的臨界狀態(tài)點(diǎn)發(fā)生了變化，即增大電容會(huì)使連接狀態(tài)點(diǎn)向電感減小的方向移動(dòng)。觀察最高點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，加大電容會(huì)使電路的等幅震蕩增大，電壓的峰值會(huì)大于原來的輸入電壓E。所以，這種做法不適合于降壓斬波電路，但可以巧妙地利用在獲得脈沖信號(hào)的場(chǎng)合。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論1）直流降壓斬波電路（Buck變換器）能有效地按比例輸出降低后的直流電壓，并且輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)。2）在使用直流降壓斬波電路時(shí)，要恰當(dāng)?shù)剡x擇電阻、

15、電容，以滿足波形的要求及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。3）搭建降壓斬波電路時(shí)，要注意電路的臨界條件第四部分 后記一、感想與體會(huì)我們經(jīng)歷了一個(gè)學(xué)期的電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，但是除了實(shí)驗(yàn)外并沒有多少實(shí)踐的機(jī)會(huì)。課程設(shè)計(jì)與理論課程和實(shí)驗(yàn)有著很大的區(qū)別，它是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的課程環(huán)節(jié)，也是我們所必須經(jīng)歷的一個(gè)學(xué)習(xí)階段。在課程設(shè)計(jì)中，我們?cè)趯W(xué)會(huì)理論知識(shí)的同時(shí)，還會(huì)加深自己對(duì)這門課程的理解。在這門課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們能結(jié)合到一些其他課程，能鞏固一些軟件的運(yùn)用（如MATLAB等軟件）。通過互相結(jié)合，相互滲透，來得到我們所需的數(shù)據(jù)、結(jié)論以及使我們掌握更多的知識(shí)。在此次課程設(shè)計(jì)中，很多東西以前都沒有接觸到，比如脈沖發(fā)生器模塊，電力電子器件模塊，現(xiàn)在經(jīng)過課程設(shè)計(jì)，通過查閱資料，我拓寬了自己的知識(shí)面，在課設(shè)中學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和鍛煉了自己的實(shí)踐動(dòng)手能力。這次電力電子課程設(shè)計(jì)過程中，我參考了很多資料，發(fā)現(xiàn)自己現(xiàn)在學(xué)到的只是很小的一部分，在設(shè)計(jì)上有一定的難度。就我設(shè)計(jì)的題目而言，平時(shí)在書上介紹的只是一些原理，并參數(shù)取值等介紹，具體要怎么設(shè)計(jì)一個(gè)完整的架構(gòu)就需要我們對(duì)現(xiàn)有和過去學(xué)的知識(shí)有一個(gè)大概的了解。通過課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作，使我接觸了很多新的知識(shí)，比如相關(guān)軟件的拓展，也讓我對(duì)這門課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。最重要的，這門課教會(huì)了我“做什么”要比“怎么做”難得多。做任