電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、摘 要高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛運(yùn)用于基礎(chǔ)直流電源、交流電源、各種工業(yè)電源，通信電源、通信電源、逆變電源、計(jì)算機(jī)電源等。它能把電網(wǎng)提供的強(qiáng)電和粗電，它是現(xiàn)代電子設(shè)備重要的“心臟供血系統(tǒng)”。BUCK變換器是開關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種，BUCK變換器又稱降壓變換器，是一種對(duì)輸入輸出電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源；buck變換器IAbstract Has been widely used in the DC power supply, AC power supply, industry power s

2、upply of high frequency switching power supply, communication power supply, communication power supply, inverter power supply, computer power supply etc. It can provide high power and coarse grid electricity, it is an important system of modern electronic equipment "the blood flow to the heart&

3、quot;. BUCK converter is a switch for power supply the basic topology of BUCK converter, also called buck converter, a DC chopper for buck to input and output voltage, the output voltage is less than the input voltage, because of its variable function superior, therefore, it can be directly used for

4、 the need for direct step-down place.IIKeyword：regulated power supply；BUCK converterII目 錄摘要-Abstract-第1章 設(shè)計(jì)目的與要求-11、設(shè)計(jì)目的-12、設(shè)計(jì)要求-1第2章 主電路設(shè)計(jì)與元件參數(shù)選型-21、主電路設(shè)計(jì)-22、IGBT驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介-33、元件參數(shù)選型-3第3章 系統(tǒng)建模與仿真-51、MATLAB仿真簡(jiǎn)介-52、主電路建模-53、控制電路的實(shí)現(xiàn)-104、仿真中出現(xiàn)的問題以及解決方法-11第4章 仿真結(jié)果分析-14第5章 設(shè)計(jì)小結(jié)-15第六章 參考文獻(xiàn)-16第一章 設(shè)計(jì)目的與要求1、降壓斬波

5、電路的設(shè)計(jì)目的(1)、通過對(duì)降壓斬波電路（buck chopper）的設(shè)計(jì)，掌握buck chopper電路的工作原理，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行buck chopper電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。(2)、了解與熟悉buck chopper電路拓?fù)?、控制方法?3)、理解和掌握buck chopper電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。(4)、具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試的能力。2、降壓斬波電路的設(shè)計(jì)要求(1)、計(jì)內(nèi)容: 對(duì)Buck Chopper電路的主電路和控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)如下：直流電壓E380V，反電動(dòng)式E148V，輸出功率為5KW。(2)設(shè)

6、計(jì)要求(a)理論設(shè)計(jì)：了解掌握Buck Chopper電路的工作原理，設(shè)計(jì)Buck Chopper電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流,電壓額定的選擇，畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖、列出主電路所用元器件的明細(xì)表。(b)仿真實(shí)驗(yàn):利用MATLAB仿真軟件對(duì)Buck Chopper 電路主電路和控制電路進(jìn)行仿真建模設(shè)計(jì)第2章 主電路設(shè)計(jì)與元件參數(shù)選型1、主電路設(shè)計(jì)降壓斬波電路主電路工作原理圖如下：圖一：降壓斬波電路主電路工作原理圖（1）t=0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。（2）t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指

7、數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。當(dāng)電路工作穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等如圖2所負(fù)載電壓的平均值為： 式中，為V處于通態(tài)的時(shí)間，為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。?fù)載電流的平均值為：若負(fù)載中L值較小，則在V關(guān)斷后，到了時(shí)刻，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。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。2、IGBT驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介IGBT 是三端器件，具有柵極G，集電極 C和發(fā)射極 E。它是個(gè)場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓 Uge決定。Uge 大于開啟電壓Uge(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電

8、流，IGBT 導(dǎo)通。通態(tài)時(shí)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 R減小，使通態(tài)壓降減小。當(dāng)柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。一般IGBT的開啟電壓Uge（th）在 25度時(shí)為26V左右，而實(shí)際一般驅(qū)動(dòng)電壓取1520V，且關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻有利于減小寄生振蕩，該電阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流定額值的增大而減小。 圖二：IGBT結(jié)構(gòu)3、元件參數(shù)選型有題目知P=5000W，U=380V，E=0V，U2=48V，所以負(fù)載電阻R=22，占空比為12.6%，有頻率f=5KHZ，所以T=1/f=0.000

9、2S。由于反電動(dòng)勢(shì)E=0所以m=Em/E=0。（1）IGBT的選擇：因?yàn)楸倦娐吩O(shè)計(jì)的E=48V,因此根據(jù)P=5000W，U=104V，由于晶閘管安全域量可知所選IGBT的額定電壓與額定電流分別為200-300V、50A-100A。（2）柵極串聯(lián)電阻Rg的阻值：根據(jù)IGBT的選擇，由可知知R的值為10歐。（3）其他元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：二極管額定電壓50V電流有：式中，（4） 電感取很大。第3章 系統(tǒng)建模與仿真1、MATLAB仿真簡(jiǎn)介MATLAB 是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Si

10、mulink兩大部分。MATLAB的優(yōu)勢(shì)如下：（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境；（2）簡(jiǎn)單易用的程序語言；（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力；（4）出色的圖形處理功能；（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱；（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)；（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）。2、主電路建模（1）在simulink平臺(tái)下新建一個(gè)m文件（2） 根據(jù)主電路在matlab中搭建模塊圖三Scope增加引腳圖四根據(jù)原理圖，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，其中U=380V，PWM的占空比為12.6%（根據(jù)計(jì)算可得），電阻取值22歐姆，電感取值很大，搭建的matlab模型如下圖：圖五：占空比調(diào)節(jié)圖六：設(shè)置輸入信號(hào)大小圖七：設(shè)置電感值圖

11、八：設(shè)置電阻值圖九：設(shè)置g級(jí)電阻值圖十：仿真模型圖（3） 調(diào)試結(jié)果輸出電流I0波形圖輸出電壓U0波形圖3、控制電路的實(shí)現(xiàn)在本設(shè)計(jì)中，IGBT的驅(qū)動(dòng)采用了東芝公司的TLP250芯片。TLP250前端最小導(dǎo)通電流為5mA，供電電壓為1035V，輸出電流可達(dá)1.5A，隔離電壓可達(dá)2500V，額定工作頻率為25KHz。據(jù)此，TlP250滿足設(shè)計(jì)要求，并且外圍電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。PWM信號(hào)輸入TLP250，然后，TLP250從G1和E1輸出IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，G1和E1分別接到IGBT的柵極和發(fā)射極。為了使IGBT可以加快關(guān)斷速度，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，使

12、柵極和發(fā)射極之間為負(fù)電壓。在電路中，采用9V的穩(wěn)壓管Z1，供電電壓為24V。當(dāng)前端輸入導(dǎo)通時(shí)，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生15V電壓，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通；當(dāng)前端輸入關(guān)斷時(shí)，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生負(fù)9V的電壓，加快了IGBT的關(guān)斷，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。4、仿真中出現(xiàn)的問題以及解決方法（1） 剛開始進(jìn)去的時(shí)候沒有設(shè)置仿真參數(shù)，在查閱了相關(guān)的步驟以及相關(guān)的資料后，設(shè)置了算法參數(shù)、仿真的開始時(shí)間和停止時(shí)間，設(shè)置的算法為ob23tb算法。（2） 出現(xiàn)如圖所示的結(jié)果解決方法：在輸入信號(hào)加入一個(gè)simulink saturation模塊用于限制輸入值的范圍。（3） scope引腳的添加方法（4） The diagra

13、m must contain a powergui block. The block must be named powergui and should be located at the highest level of your diagram where SimPowerSystems blocks are found.和Error in 'untitled/Voltage Measurement': Initialization commands cannot be evaluated.解決方法：找個(gè)powergui加到模型中即可（該模塊位于SimPowerSystem

14、s模塊集的powerlib庫(kù)中，不同版本的組織形式可能有調(diào)整，找不到的話搜索一下）?？梢苑旁谀Ｐ偷娜我馕恢?，也不需要任何設(shè)置。（5） An error occurred while propagating data type 'boolean' from block 'mkkzq1/Subsystem/Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer/Fuzzy Logic Controller/FIS Wizard/Defuzzification1/Zero Strength (COA)', output port 1。解決方法：在

15、simulation /simulation parameter/advanced/boolean logic signals選擇off就可以了（6） matlab的.m文件保存的命名規(guī)則：1.文件名命名要用英文字符，第一個(gè)字符不能是數(shù)字或下劃線2.文件名不要取為matlab的一個(gè)固有函數(shù),m文件名的命名盡量不要是簡(jiǎn)單的英文單詞，最好是由大小寫英文/數(shù)字/下劃線等組成。原因是簡(jiǎn)單的單詞命名容易與matlab內(nèi)部函數(shù)名同名，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一些莫名其妙的錯(cuò)誤。3、文件存儲(chǔ)路徑一定為英文4、m文件起名不能為兩個(gè)單詞，如three phase，應(yīng)該寫成three_phase或者ThreePhase第4章

16、仿真結(jié)果分析1、仿真結(jié)果根據(jù)電壓電流的波形，首先由電壓的波形可知輸出電壓的平均值為4050V之間，而輸出的電流90100A之間，兩者的乘積接近5000W，滿足設(shè)計(jì)到要求。2、結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)在基于Matlab環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果相差不大，但相對(duì)于實(shí)際來講，可能會(huì)有很大的偏差，例如中間環(huán)節(jié)的PWM信號(hào)的產(chǎn)生，在實(shí)際的操作起來可能比就難以控制，需要選擇和合適的芯片，否則產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)后期的波形產(chǎn)生干擾，還有就是一些器件的選型，在本報(bào)告中只是理論的計(jì)算，還需要參照更多的資料和論文來進(jìn)行更為合適的選擇，對(duì)于最后的仿真結(jié)果和我們理論所計(jì)算的結(jié)果是相吻合的，真正的實(shí)現(xiàn)了buck電路的降壓功

17、能。而所有的這些占據(jù)最大的是IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，這一步對(duì)整個(gè)電路的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用，大的方面講，是需要一定的占空比來輸出我們的信號(hào)，但上升到小的方面，就要求我們對(duì)開關(guān)管設(shè)置一定的開關(guān)速度，并且是合適的，以達(dá)到我們所需要的結(jié)果。第5章 設(shè)計(jì)小結(jié) 做課程設(shè)計(jì)我們都感覺入手比較困難，因?yàn)樗紫纫竽銓?duì)所學(xué)的知識(shí)都要弄懂，并且能將其聯(lián)系貫穿起來，因此課程設(shè)計(jì)是綜合性比較強(qiáng)的。這次的電力電子課程設(shè)計(jì)是我做的最辛苦的一次，主要的原因是這次試驗(yàn)要求我們學(xué)習(xí)兩個(gè)從來就沒有接觸過的軟件。而且時(shí)間還是有那么緊。首先把設(shè)計(jì)任務(wù)搞清，接下來就是找相關(guān)資料，可以通過上圖書館和上網(wǎng)，然后對(duì)資料進(jìn)行整理。找資料說起來好像很簡(jiǎn)單，但真正做起來是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，要進(jìn)行篩選甄別，所以這個(gè)過程中是要花費(fèi)一些時(shí)間的，但這其中也拓展了你的知識(shí)面。書上原理性的東西與真正的動(dòng)手操作還是有很大的區(qū)別的，要考慮很多因素，比如說，參數(shù)的選取和設(shè)定，這些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有很大的影響的。通過重溫教材知識(shí)和翻閱相應(yīng)的資料，當(dāng)然還有一部分要?dú)w功于我的同學(xué)的幫助。通過這次課程設(shè)計(jì)我們掌握了一定的文檔的編排格式，這對(duì)于以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設(shè)