電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)BOOST升壓變化器設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1 緒論1.1 選題的背景與意義近幾年來，隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，世界的經(jīng)濟(jì)將發(fā)生巨大變革，知識(shí)經(jīng)濟(jì)開始替代工業(yè)經(jīng)濟(jì)，這對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有很大推動(dòng)力。隨著神舟飛船的首次載人飛行，嫦娥饒?jiān)碌牡膶?shí)現(xiàn)，中國(guó)的這些高科技技術(shù)的成功，讓西方國(guó)家震驚不已，誰擁有電力電子這種先進(jìn)的高薪科技產(chǎn)品，誰就掌握競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。但是總體說來我國(guó)當(dāng)前電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)的水平落后于國(guó)際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是還面臨著國(guó)外產(chǎn)品嚴(yán)重沖擊，因此，我們必需清醒地認(rèn)識(shí)到這一挑戰(zhàn)并且要勇敢地面對(duì)。因此電力電子交流電路模擬仿真的研究已成為我國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。電力電子電路最基本的

2、拓?fù)湫问?，近年來一些新的電路拓?fù)湫问饺缰C振型逆變電路、矩陣式變頻電路等不斷涌現(xiàn)。人們也期待著通過對(duì)電力電子電路拓?fù)涞牟粩嘌芯?，發(fā)現(xiàn)一些更新的拓?fù)湫问剑闺娏﹄娮友b置性能更為優(yōu)良。電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍已無處不在在如交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，此外，電力電子技術(shù)用于宇宙開發(fā)也正在引起人們的廣泛關(guān)注。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。1.2 國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外電力電子技術(shù)發(fā)展的狀況自從半導(dǎo)體問世以來，經(jīng)過幾

3、十年來的發(fā)展，電力電子技術(shù)從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率mosfet和igbt為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。電力電子技術(shù)發(fā)展的變換主要體現(xiàn)在器件上2，幾十年來，以晶閘管為基礎(chǔ)的 可控硅整流裝置使直流傳動(dòng)占據(jù)了傳動(dòng)領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。然而，晶鬧管畢竟是一種半控型器件，只能導(dǎo)通，不能關(guān)斷，被稱為第一代半導(dǎo)體器件。半控型器件在交流傳動(dòng)及變頻調(diào)速中無法大顯身手。70年代來，陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(gtr)門投可關(guān)斷品閘管(gto)

4、、功率mos場(chǎng)效空管、絕緣柵極晶體管(igbt)、靜電感應(yīng)晶體管(sith)等等全控型器件，在線路中， 既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷， 則被稱為第二代電力半導(dǎo)體器件。 它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上是把若干個(gè)(直至數(shù)十萬個(gè))具有相同功能的元胞進(jìn)行并聯(lián)集成，在制造上采用把晶閘管向高電壓、大電流方向發(fā)展所積累起來的各種經(jīng)驗(yàn)同微電子的微細(xì)加工方面的成就相結(jié)合的成果。90年代， 將綜合這些器件的優(yōu)點(diǎn)而研制成mos柵控晶閘管(mct)和場(chǎng)控gto (mos gto)將成為國(guó)際上第三代電力電子器件。這些器件進(jìn)一步把具有不同功能的控制單元、邏輯單元、傳感單元、量測(cè)單元和保護(hù)單元集成一體， 既具有電路功能， 又使用更為方便可靠

5、，正受到舉世矚目。電力電子技術(shù)是能源技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)三大領(lǐng)域的交叉，其主要功能是利用大功率半導(dǎo)體器件及其相應(yīng)的控制與保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電能某些參量和特性 （ 電壓、電流、頻率、相位、相數(shù)、波形等）的控制與交換，以實(shí)現(xiàn)電力的某些使用目的，并提高使用的質(zhì)量與效率。80年代以來，電力電子技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)全面深入地滲透到經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科技和社會(huì)生活的各個(gè)方面。它是當(dāng)今世界發(fā)展最快、潛力巨大的產(chǎn)業(yè)之一，電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功與否，對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體水平有著重要的影響，所以，世界各國(guó)對(duì)電力電子技術(shù)都很重視，加快了電力電子產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。1.2.2 國(guó)內(nèi)電力電子

6、技術(shù)發(fā)展的狀況不容置疑，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力電子應(yīng)用技術(shù)具有十分巨大的需求。為了迅速改變我國(guó)電力電子技術(shù)的落后狀況，適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，我國(guó)政府也下了很大的決心和采取了很多措施大力發(fā)展電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)已被列入國(guó)家“九五”科技發(fā)展規(guī)劃和國(guó)家關(guān)鍵新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。到90年代，我國(guó)在某些現(xiàn)代電力電子技術(shù)，如軟開關(guān)、功率因數(shù)校正、igbt的應(yīng)用、并聯(lián)均流、智能控制、諧波治理、計(jì)算機(jī)仿真等的開發(fā)和應(yīng)用方面取得了一些成就，有些研究成果已在產(chǎn)業(yè)部門中得到推廣和應(yīng)用。但是，總的說來我國(guó)電力電子技術(shù)的水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)跟不上我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是還面臨著國(guó)外產(chǎn)品嚴(yán)重沖擊

7、的嚴(yán)峻形勢(shì)。國(guó)產(chǎn)功率器件目前主要還限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率結(jié)型全控器件（gto，gtr）雖有引進(jìn)，但因市場(chǎng)和質(zhì)量等原因，至今未能形成批量生產(chǎn)能力;場(chǎng)控器件（功率mos、igbt等和智能功率模塊ipm）全靠進(jìn)口。目前國(guó)產(chǎn)的電力電子裝置還主要局限于利用大功率整流管和硅晶閘管生產(chǎn)的整流電源、直流調(diào)速和可控硅靜止變頻裝置，而反映當(dāng)代電力電子裝置發(fā)展方向的高技術(shù)產(chǎn)品在我國(guó)目前尚處于研制開發(fā)階段。這樣一來，急需電力電子設(shè)備的一些大型企業(yè)就干脆直接從國(guó)外進(jìn)口，而一般企業(yè)則因財(cái)力和企業(yè)技術(shù)水平所限，只得采用落后的技術(shù)和設(shè)備，這就嚴(yán)重地影響了我國(guó)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣。這些問題制約了產(chǎn)

8、業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的保持和提高，延緩了電力電子產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程。要加快我國(guó)電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的步伐，增強(qiáng)其在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，是我們當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)有的義務(wù)和責(zé)任3。1.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)把現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)發(fā)展結(jié)合起來，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時(shí)間比例尺等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng)（尤其是復(fù)雜系統(tǒng)）的重要工具。在我國(guó)，自從20世紀(jì)50年代中期以來，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀(jì)80年代初開始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在自動(dòng)控

9、制、電氣轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用1。近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。促進(jìn)了電力電子產(chǎn)品研究、開發(fā)水平的提高，改善了電力電子產(chǎn)品的性能，縮短了產(chǎn)品的創(chuàng)新周期。可見，電路與系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真在電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)中占有重要的地位，它可以加深工程師對(duì)電路與系統(tǒng)工作原理的理解，加速電路的設(shè)計(jì)和理論的完善，幫助生產(chǎn)企業(yè)提高自身開發(fā)的水平，改善產(chǎn)品性能并能有效地縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。目前常用的仿真軟件有pspice,saber,simplis和matlab等幾種。通常把電力電子仿真軟件分為兩種：即側(cè)重于電路的仿真器和側(cè)重于方程求解的仿真器

10、。pspice和matlab分別是兩類仿真器的代表。pspice是較早出現(xiàn)的eda軟件之一，由microsim公司于1985年推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強(qiáng)大，在國(guó)內(nèi)被普遍使用.。pspice最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠把仿真與電路原理圖的設(shè)計(jì)緊密的結(jié)合在一起。pspice廣泛應(yīng)用于各種電路分析、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同一個(gè)窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字電路。無論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，包括igbt、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，可以滿足電力電子電路動(dòng)態(tài)仿真的要求。但pspice的仿真數(shù)據(jù)處理量龐大，仿真和處理速度慢，

11、輸出數(shù)據(jù)格式和兼容性差，這些方面也限制了pspice的應(yīng)用。matlab是自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。其應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能，成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友。matlab最新版本matlab2007b于2007年秋節(jié)正式發(fā)布，在r2007b中（matlab 7.4,simulink 6.6），主要更新了多個(gè)產(chǎn)品模塊、增加了多達(dá)350個(gè)新特性、增加了對(duì)64位windows的支持，并新推出了.net工具箱。 matlab中的power system bolckset (psb)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件、電機(jī)、

12、電力電子器件、控制和測(cè)量環(huán)一相以及二相元件庫(kù)等，再借助于其它模塊庫(kù)或工具箱，在simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀察仿真的執(zhí)行過程。仿真結(jié)果在仿真結(jié)束時(shí)利用變量存儲(chǔ)在matlab的工作空間中。pspice和psb仿真軟件各有其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì).其版本也在不斷更新。psb適用于中等規(guī)模電路的仿真以及變/定步長(zhǎng)仿真算法的電路仿真。2 設(shè)前分析2.1設(shè)計(jì)目的 （1）了解并掌握電路的基本原理，具備初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)和仿真能力。（2）學(xué)習(xí)matlab仿真軟件。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求將一個(gè)輸入電壓在3-6v的不穩(wěn)定電源升壓到穩(wěn)定的15v，紋波電壓低于0.2%，負(fù)載

13、電阻10，開關(guān)管選擇mosfet，開關(guān)的頻率為40khz，要求電感電流連續(xù)。設(shè)計(jì)仿真參數(shù)、搭建仿真模型并分析結(jié)果。將電感值分別減小為臨界電感的一半和三分之一，仿真分析電感電流斷續(xù)時(shí)的升壓變換器的情況。2.3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量要求（1）設(shè)計(jì)升壓變換器的原理圖；（2）設(shè)計(jì)參數(shù)（3）建立升壓變換器的仿真模型。（4）利用sumlink仿真軟件對(duì)電路圖進(jìn)行仿真，并分析仿真結(jié)果。2.4使用工具maltab7.02.5 mosfet介紹金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, mosfet）

14、是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）3 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 升壓變化器原理圖圖3-1 升壓變化器原理圖升壓變換器也稱為boost變換器。正如名字所指的，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。圖3-1是升壓變換器的電路圖。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源的電流流過電感和開關(guān)管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感的感應(yīng)電勢(shì)使二極管導(dǎo)通，電感電流il通過二極管和負(fù)載構(gòu)成回路，由輸入電源向負(fù)載提供能量。在下面的穩(wěn)態(tài)分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大以確保輸出電壓保持恒定，即uo=uo。3.2電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電

15、感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分是0，上式的兩邊除以ts，得： (3-2)，假設(shè)電路沒有損耗，則pd=po（3-3）圖3-4 升壓變換器電路的情況(假定il連續(xù))3.3輸出電壓紋波在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=uo。然而，實(shí)際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖3-6所示。紋波的峰-峰值為 (3-5) .對(duì)于電流斷續(xù)模式也可作類似分析。圖3-6 升壓變換器的輸出電壓的紋波3.4 升壓變換器模型的仿真3.4.1升壓變換器模型圖3-7 升壓變換器模型3.4.2.參數(shù)設(shè)置1）根據(jù)輸入輸出的要求，確定占空比調(diào)節(jié)范圍：2）臨界電感值：3)根據(jù)紋波要

16、求求出電容：4)各模塊參數(shù)設(shè)置圖3-8負(fù)載電阻載參數(shù)設(shè)置圖3-9電感參數(shù)設(shè)置圖3-10電容參數(shù)設(shè)置 圖3-11 mosfet參數(shù)設(shè)置圖3-12 pulse generator參數(shù)設(shè)置3.4.3啟動(dòng)仿真圖示依次為mosfet門級(jí)觸發(fā)脈沖u，電感電壓u，電感電流i，輸出電壓uo，二極管電流i，mosfet電流i。圖3-13 電源電壓6v，占空比60% 電感值為實(shí)際電感15uh圖3-14 電源電壓3v，占空比80% 電感值為實(shí)際電感15uh圖3-15 電源電壓6v，占空比60%，電感值為實(shí)際電感6uh圖3-16 電源電壓6v，占空比60%，電感值為實(shí)際電感4uh3.4.4仿真分析輸出電壓上升階段，電

17、容電流為一個(gè)不斷減小的正值，因此輸出電壓雖上升，單上升率不斷減小;下降段電容電流是一個(gè)恒定的負(fù)值，因此輸出電壓以一個(gè)恒定的斜率下降，與3-4的波形是一樣的。 對(duì)輸入電壓為6v時(shí)的輸出電壓進(jìn)行紋波計(jì)算，最大值為15.0105，最小值為14.977.平均值為14.99，則紋波電壓為22%，比要求大一點(diǎn)，這是可以加大適當(dāng)電容值，是電壓紋波滿足要求。目前已經(jīng)說過本次仿真選取的電容值為計(jì)算值，沒有裕量，因此電壓紋波不能滿足要求，這也是為什么在實(shí)際選值時(shí)要取一定的裕量的原因。4 總結(jié)首先，感謝張老師和李老師對(duì)我的指導(dǎo)，再感謝同學(xué)對(duì)我的幫助。通過一周對(duì)matlab的學(xué)習(xí)，我了解到了電力電子變流技術(shù)在實(shí)際生活中的重要作用，并且通過實(shí)際運(yùn)用matlab仿真軟件建立電力電子功能電路模型實(shí)現(xiàn)功能的仿真，對(duì)常用的功率電力二極管、晶閘管、全控型器件可關(guān)斷晶閘管、絕緣柵極雙極型晶體管等電力電子器件在matlab中的實(shí)現(xiàn)以及電力電子中幾種常用到的變換器與仿真實(shí)現(xiàn)過程有了實(shí)際的體驗(yàn)。我更加深刻的了解到直流斬波電路的功能及其在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用。直流斬波也稱作直流-直流變換器（dc/dc converter），一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，而不包括直流-交流-直流的情況，糾正了以前