电力电子技术课程设计要点.docx

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电力电子技术课程设计要点

摘要

高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。

它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。

BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

关键词：

稳压电源；buck变换器

I

Abstract

HasbeenwidelyusedintheDCpowersupply,ACpowersupply,industrypowersupplyofhighfrequencyswitchingpowersupply,communicationpowersupply,communicationpowersupply,inverterpowersupply,computerpowersupplyetc..Itcanprovidehighpowerandcoarsegridelectricity,itisanimportantsystemofmodernelectronicequipment"thebloodflowtotheheart".BUCKconverterisaswitchforpowersupplythebasictopologyofBUCKconverter,alsocalledbuckconverter,aDCchopperforbucktoinputandoutputvoltage,theoutputvoltageislessthantheinputvoltage,becauseofitsvariablefunctionsuperior,therefore,itcanbedirectlyusedfortheneedfordirectstep-downplace.

II

Keyword：

regulatedpowersupply；BUCKconverter

II

目录

摘要------------------------------------------------------------------------------Ⅰ

Abstract------------------------------------------------Ⅱ

第1章设计目的与要求-----------------------------------1

1、设计目的-------------------------------------------1

2、设计要求-------------------------------------------1

第2章主电路设计与元件参数选型-------------------------2

1、主电路设计-----------------------------------------2

2、IGBT驱动电路简介-----------------------------------3

3、元件参数选型----------------------------------------3

第3章系统建模与仿真-----------------------------------5

1、MATLAB仿真简介------------------------------------5

2、主电路建模-----------------------------------------5

3、控制电路的实现-------------------------------------10

4、仿真中出现的问题以及解决方法-------------------------11

第4章仿真结果分析------------------------------------14

第5章设计小结----------------------------------------15

第六章参考文献-------------------------------------------------------------16

第一章设计目的与要求

1、降压斩波电路的设计目的

（1）、通过对降压斩波电路（buckchopper）的设计，掌握buckchopper电路的工作原理，综合运用所学知识，进行buckchopper电路和系统设计的能力。

（2）、了解与熟悉buckchopper电路拓扑、控制方法。

（3）、理解和掌握buckchopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

（4）、具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

2、降压斩波电路的设计要求

（1）、计内容:

对BuckChopper电路的主电路和控制电路进行设计，参数如下：

直流电压E＝380V，反电动式E1＝48V，输出功率为5KW。

（2）设计要求

（a）理论设计：

了解掌握BuckChopper电路的工作原理，设计BuckChopper电路的主电路和控制电路。

包括：

IGBT电流,电压额定的选择，画出完整的主电路原理图和控制电路原理图、列出主电路所用元器件的明细表。

（b）仿真实验:

利用MATLAB仿真软件对BuckChopper电路主电路和控制电路进行仿真建模设计

第2章主电路设计与元件参数选型

1、主电路设计

降压斩波电路主电路工作原理图如下：

图一：

降压斩波电路主电路工作原理图

（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压

，负载电流

按指数曲线上升。

（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压

近似为零，负载电流

呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等如图2所负载电压的平均值为：

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。

负载电流的平均值为：

若负载中L值较小，则在V关断后，到了

时刻，，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

负载电压

平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

2、IGBT驱动电路简介

IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。

它是个场控器件，通断由栅射极电压Uge决定。

Uge大于开启电压Uge（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

通态时电导调制效应使电阻R减小，使通态压降减小。

当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

一般IGBT的开启电压Uge（th）在25度时为2~6V左右，而实际一般驱动电压取15~20V，且关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。

在栅极串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随被驱动器件电流定额值的增大而减小。

图二：

IGBT结构

3、元件参数选型

有题目知P=5000W，U=380V，E=0V，U2=48V，所以负载电阻R=22Ω，占空比为12.6%，有频率f=5KHZ，所以T=1/f=0.0002S。

由于反电动势E=0所以m=Em/E=0。

（1）IGBT的选择：

因为本电路设计的E=48V,因此根据P=5000W，U=104V，由于晶闸管安全域量可知所选IGBT的额定电压与额定电流分别为200-300V、50A-100A。

（2）栅极串联电阻Rg的阻值：

根据IGBT的选择，由可知知R的值为10欧。

（3）其他元器件的选择标准如下：

二极管额定电压50V电流有：

式中，

（4）电感取很大。

第3章系统建模与仿真

1、MATLAB仿真简介

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB的优势如下：

（1）友好的工作平台和编程环境；

（2）简单易用的程序语言；

（3）强大的科学计算机数据处理能力；

（4）出色的图形处理功能；

（5）应用广泛的模块集合工具箱；

（6）实用的程序接口和发布平台；

（7）应用软件开发（包括用户界面）。

2、主电路建模

（1）在simulink平台下新建一个m文件

（2）根据主电路在matlab中搭建模块

图三

Scope增加引脚

图四

根据原理图，设置相关的参数，其中U=380V，PWM的占空比为12.6%（根据计算可得），电阻取值22欧姆，电感取值很大，搭建的matlab模型如下图：

图五：

占空比调节

图六：

设置输入信号大小

图七：

设置电感值

图八：

设置电阻值

图九：

设置g级电阻值

图十：

仿真模型图

（3）调试结果

输出电流I0波形图

输出电压U0波形图

3、控制电路的实现

在本设计中，IGBT的驱动采用了东芝公司的TLP250芯片。

TLP250前端最小导通电流为5mA，供电电压为10—35V，输出电流可达1.5A，隔离电压可达2500V，额定工作频率为25KHz。

据此，TlP250满足设计要求，并且外围电路简单，工作稳定可靠。

IGBT的驱动电路如图所示。

PWM信号输入TLP250，然后，TLP250从G1和E1输出IGBT的驱动信号，G1和E1分别接到IGBT的栅极和发射极。

为了使IGBT可以加快关断速度，使系统运行更加可靠，当IGBT关断时，使栅极和发射极之间为负电压。

在电路中，采用9V的稳压管Z1，供电电压为24V。

当前端输入导通时，栅极和发射极之间产生15V电压，驱动IGBT导通；当前端输入关断时，栅极和发射极之间产生负9V的电压，加快了IGBT的关断，保证了系统的可靠运行。

4、仿真中出现的问题以及解决方法

（1）刚开始进去的时候没有设置仿真参数，在查阅了相关的步骤以及相关的资料后，设置了算法参数、仿真的开始时间和停止时间，设置的算法为ob23tb算法。

（2）出现如图所示的结果

解决方法：

在输入信号加入一个simulinksaturation模块用于限制输入值的范围。

（3）scope引脚的添加方法

（4）Thediagrammustcontainapowerguiblock.TheblockmustbenamedpowerguiandshouldbelocatedatthehighestlevelofyourdiagramwhereSimPowerSystemsblocksarefound.和Errorin'untitled/VoltageMeasurement':

Initializationcommandscannotbeevaluated.

解决方法：

找个powergui加到模型中即可（该模块位于SimPowerSystems模块集的powerlib库中，不同版本的组织形式可能有调整，找不到的话搜索一下）。

可以放在模型的任意位置，也不需要任何设置。

（5）Anerroroccurredwhilepropagatingdatatype'boolean'fromblock'mkkzq1/Subsystem/FuzzyLogicControllerwithRuleviewer/FuzzyLogicController/FISWizard/Defuzzification1/ZeroStrength（COA）',outputport1。

解决方法：

在simulation/simulationparameter/advanced/booleanlogicsignals选择off就可以了

（6）matlab的.m文件保存的命名规则：

1.文件名命名要用英文字符，第一个字符不能是数字或下划线

2.文件名不要取为matlab的一个固有函数,m文件名的命名尽量不要是简单的英文单词，最好是由大小写英文/数字/下划线等组成。

原因是简单的单词命名容易与matlab内部函数名同名，结果会出现一些莫名其妙的错误。

3、文件存储路径一定为英文

4、m文件起名不能为两个单词，如threephase，应该写成three_phase或者ThreePhase

第4章仿真结果分析

1、仿真结果

根据电压电流的波形，首先由电压的波形可知输出电压的平均值为40—50V之间，而输出的电流90—100A之间，两者的乘积接近5000W，满足设计到要求。

2、结果分析

本实验在基于Matlab环境下进行，实验的结果和理论计算的结果相差不大，但相对于实际来讲，可能会有很大的偏差，例如中间环节的PWM信号的产生，在实际的操作起来可能比就难以控制，需要选择和合适的芯片，否则产生的谐波会对后期的波形产生干扰，还有就是一些器件的选型，在本报告中只是理论的计算，还需要参照更多的资料和论文来进行更为合适的选择，对于最后的仿真结果和我们理论所计算的结果是相吻合的，真正的实现了buck电路的降压功能。

而所有的这些占据最大的是IGBT驱动电路的设计，这一步对整个电路的实现起着举足轻重的作用，大的方面讲，是需要一定的占空比来输出我们的信号，但上升到小的方面，就要求我们对开关管设置一定的开关速度，并且是合适的，以达到我们所需要的结果。

第5章设计小结

做课程设计我们都感觉入手比较困难，因为它首先要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其联系贯穿起来，因此课程设计是综合性比较强的。

这次的电力电子课程设计是我做的最辛苦的一次，主要的原因是这次试验要求我们学习两个从来就没有接触过的软件。

而且时间还是有那么紧。

首先把设计任务搞清，接下来就是找相关资料，可以通过上图书馆和上网，然后对资料进行整理。

找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，要进行筛选甄别，所以这个过程中是要花费一些时间的，但这其中也拓展了你的知识面。

书上原理性的东西与真正的动手操作还是有很大的区别的，要考虑很多因素，比如说，参数的选取和设定，这些对实验结果是有很大的影响的。

通过重温教材知识和翻阅相应的资料，当然还有一部分要归功于我的同学的帮助。

通过这次课程设计我们掌握了一定的文档的编排格式，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我们也再复习了一遍电力电子这门课程，对于以前一知半解的问题有了更深刻的认识。

通过这次课程设计，使我明白了自身的不足，还有就是学习上存在的以应试为目的的陋习，自己真正学到的知识还是相当有限的，而且都是很死板的知识，并没有做到活学活用。

而且，在专业软件学习方面还要有很大的提升的需要。

第6章参考文献

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009

[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005

[3].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006

[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010