直流斩波课程设计.docx

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1、电力电子学,又称功率电子学（POWCrElectronics）o它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。直流斩波电路的种类较多，包括6种根本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，CUk斩波电路，SePie斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最根本的电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源

2、领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MoSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一局部电力MC）SFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。关键词：电力电子；直流降压斩波电路；IGBT目录1. 降压斩波主电路设计11.lBUCK降压斩波主电路及其原理11.2控制方式21.31GBT简介21.4主电路元器件参数选择32. MAT1.AB/SIMU1.INK根底知识42.1 MAT1.AB介绍42.2 MAT1.AB的应用42.3 SIMU1.INK仿真根底52.4 Simulink的模块库介绍53. M

3、AT1.AB仿真63.1 元件清单及参数设置63.2 仿真电路设计83.3 仿真结果93.4 仿真结果分析9总结9参考文献101.降压斩波主电路设计1.1BUCK降压斩波主电路及其原理降压斩波电路的原理图以及工作波形如图1.1所示。该电路使用一个全控型器件V,图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。图1.1降压斩波电路原理图图12降压斩波电路波形图如图1.1中V的栅极电压UGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E,负载电流i。按指数上升。当t=U时刻，控制

4、V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压W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，通常是串联的电感1.值较大。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1.2所示。负载电压平均值为：u0=-S=1.S=叫（式1.1）式1.1中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式1.1可知，输出到负载的电压平均值U。，减小占空比,U。随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。负载电流平均值为：1O-W（式1.2）K1.2控制方式根据对输出电压平均值进行调

5、制的方式不同,斩波电路有三种控制方式(时间比控制方式)：(1)脉冲宽度调制(PWM)：T不变，改变ton。(定频调宽控制模式)(2)频率调制：ton不变，改变T。(定宽调频控制模式)(3)混合型：ton和T都可调，改变占空比(调宽调频混合控制模式)但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比拟困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。1.3IGBT简介IGBT的等效电路如图3.2所示。由图可知,假设在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,那么MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;假设IG

6、BT的栅极和发射极之间电压为OV,那么MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供应,使得晶体管截止。图1.3IGBT的等效电路图由此可知,IGBT的平安可靠与否主要由以下因素决定： IGBT栅极与发射极之间的电压； IGBT集电极与发射极之间的电压； 流过IGBT集电极一发射极的电流； IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,那么IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极一发射极之间的耐压那么IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极一发射极之间的耐压,流过IGBT集电极一发射极的电流超过集电极一发射极允许的最大电流,IG

7、BT的结温超过其结温的允许值JGBT都可能会永久性损坏。1.4主电路元器件参数选择主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、1GBT二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明：(1) 直流电源因为题目要求输入直流电压为200V,所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。(2) 电阻R/因为输出电压为100V时，负载电阻值5Q,所以由欧姆定律4玄7可得输出的最大电流为20(3) IGBT由图1.1易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为200V；而当时，IGBT有最大电流，其值为20A。故需选择集电极最大连续电流100V的IGBT。如果考虑2倍的平安裕量需选择集电极

8、最大连续电流40A,反向击穿电压纥400V的IGBT。(4) 二极管当。二1时，其承受最大反压200V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于20A,故需选择Vc200v,720A的二极管。考虑2倍的平安裕量：fmin=2Xttl=400Vmin=lxZi=2x5=40A(5) 斩波频率选择f=5kHz(6) 电感1.使得电路能够续流，此时的临界电感为：1.=UO力一SJ2fUdIo设输出电压为80V,那么=10OX(200100)/2x5000x100x20=0.5mH所以电感=0.5mH,Z=ImHo(7) 电容选择的电容既要使得输出的电压纹波小于10%,也不能取的太大，否那么会使电路的速度

9、变得很慢。电容的选择：也取输出电压为100V时来算：C=Uq(Ud-Utf)81.UcffUd=100x(200100)8xlmHxO.1x5Kx5Kx100=5uF(8) 占空比直流电源电源为200V,要求通过直流变换输出电压100V,所以占空比为50%2. MAT1.AB/SIMU1.INK根底知识2.1 MAT1.AB介绍MAT1.AB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MTIjB和Simulink两大局部。MAT1.AB是矩阵实验室(Matrix1.aboratory)的简称，和Mathe

10、matica、MaPIe并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MAT1.AB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创立用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MAT1.AB的根本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MAT1.AB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MAT1.AB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也参加了对C,FORTRAN,C+,JAVA的支

11、持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MAT1.AB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MAT1.AB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。2.2 MAT1.AB的应用MAT1.AB产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理数字信号处理通讯系统设计与仿真财务与金融工程MAT1.AB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单独提供的专用MT1.B函数集)扩展了MAT1.AB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

12、2.3 Simulink仿真根底Simulink是MAT1.AB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MAT1.AB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于WindoWS的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。1. 所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的根本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些根本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。2. SimUIink可将系统分为从高级到低

13、级的几个层次，每层又可以细分为几个局部，将各层连接起来构成一个完整系统。模型创立完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到MAT1.AB中以完成进一步的分析。3. Simulink可以仿真线性和非线性系统，并能创立连续时间、离散时间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。2.4 Simulink的模块库介绍整个SimUlink模块库是由各个模块组构成，标准的SimUIink模块库中，包括：信号源模块组(SOUrCe)、仪器仪表模块组(Sinks)、

14、连续模块组(Continuous)离散模块组iscrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(NOnlinear)、函数与表格模块组(FUnCtion&Tables)、信号与系统模块组(SignaIS&Systems)和子系统模块组(SUbSyStemS)几个局部，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成Simulink1.ibraryBrowserFileEditViewHelp口声中MCaBalyVs4Bles:BlsuliftkzCeflBonIyUtdSloekiDicrl1.oobTV1*lathDerationsV*rfcti4aPortsASPbsySt83Si34l

15、AttributesSiCftUXgsMIoM-Vi4VtilititJ1.ocMkdBilOperatiMktHSimulinkjCommonlyUsedBlocksjContinuousjDiscontinus?Discretej1.ogicandBitOperation)2H1.ookup4MathOperationsModelVerificationjModel-WideUtilitiesPorts&SubsystemsSignalAttributesSnRoutingSinksiSourcesjUser-DefinedFunctions舟JAdditionalMath&OiRett3) HAerospaceBlodcset,(HCDMAReferenceBlolet3jHCommunicationsBlocksetHCcxitrolSystemToolboxH0iK&Gu9sBlOCkSetHEmbeddedTargetfoeInfineonSHEmbeddedTargetforMoto