升降壓斬波課程設(shè)計(jì)

1、* 大 學(xué)自 動(dòng) 化 學(xué) 院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：升降壓斬波電路設(shè)計(jì)單位（二級(jí)學(xué)院）： 自 動(dòng) 化 學(xué) 院 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年 5 月目錄摘要31 升降壓斬波電路及基本原理42仿真分析與調(diào)試52.1 建立仿真模型52.2 仿真參數(shù)的設(shè)置62.3仿真結(jié)果分析63用芯片實(shí)現(xiàn)升降壓83.1 LM2596降壓83.2 MC34063芯片升壓93.3 PCB版制作流程104心得體會(huì)115參考文獻(xiàn)12摘要 20世紀(jì)80年代以來 ，信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型

2、的電力電子器件，典型代表有門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。利用全控型器件可以組成變流器。直流-直流變換器就是其中一種，它廣泛應(yīng)用于通信交換機(jī)、計(jì)算機(jī)以及手機(jī)等電子設(shè)備的開關(guān)電源。直流直流變流電路（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。本文著重介紹升降壓斬波電路的原理和基于matlab的simulink的升降壓斬波電路的仿真以及用一種芯片的方法實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。關(guān)鍵詞：直

3、流直流變流電路；升降壓斬波；simulink；仿真1 升降壓斬波電路及基本原理圖1所示為升降壓斬波電路（Buck-Boost Chopper）原理圖。電路中電感L值很大，電容C值也很大。因?yàn)橐沟秒姼须娏骱碗娙蓦妷夯緸楹阒浮2VDIGBTI1LERC 圖1該電路的基本工作原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲(chǔ)存能量，此時(shí)電流為I1，方向如圖1所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流為I2，方向如圖1所示。可見，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為零，即

4、： (2-1)所以輸出電壓為： (2-2)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取Ｈ舾淖儗?dǎo)通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)時(shí)為降壓，當(dāng)時(shí)為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路。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)間不變，稱為PWM。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)制或調(diào)頻型。3、和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。2仿真分析與調(diào)試2.1 建立仿真模型在電力電子設(shè)計(jì)過程中利用MATLAB來進(jìn)行仿真建模分析有很大的好處，它不但非常方便而且能

5、夠在很大程度范圍內(nèi)減少因設(shè)計(jì)問題而造成的浪費(fèi)。這里的仿真主要是運(yùn)用MATLAB軟件中的simulink工具。先從simulink的元件庫中找到需要用的元件，然后搭建相應(yīng)的主電路，設(shè)置好參數(shù)后即可進(jìn)行仿真。仿真電路圖如下所示： 圖2 仿真電路圖仿真電路中，用虛擬的示波器監(jiān)控了斬波電路輸出電壓和輸出電流的波形。根據(jù)題目要求輸出電壓范圍值為2.224V，輸出功率大于等于20W，輸入直流電壓為330V。又由于升降壓斬波電路對(duì)電感和電容的要求較高，因此它們的取值應(yīng)盡可能大。2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置1、直流電壓源選擇DC Voltage source,其工作電壓安需要設(shè)定（330V）。2、示波器：接入2路信

6、號(hào)分別為：iloade、Vloade。3、IGBT的參數(shù)選擇中的current tail time設(shè)置為：2e-6，其余為默認(rèn)值。4、晶閘管選擇Diode,參數(shù)選擇為默認(rèn)值。5、脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)置為：Amplitue=1VL=3HC=inf FPeriod=2e-4s(頻率5000HZ)Pulse Width（即占空比）：按需要設(shè)定6、主電路負(fù)載參數(shù)設(shè)置為：R=10L=0HC=25e-04F7、電感參數(shù)設(shè)置：400e-3 H2.3仿真結(jié)果分析純電阻負(fù)載時(shí)，首先選擇輸入電壓30V，占空比為0.33。仿真波形如下圖所示： 圖3純電阻33%占空比波形圖由前面計(jì)算公式，我們知道當(dāng)輸入電壓為30V時(shí)，占

7、空比0.33時(shí)，輸出電壓理論值為14.14V。由上圖知，仿真輸出電壓大約為13.35V。仿真輸出電流大約1.34A，輸出功率為17.89W，沒有大于20W，我們可以通過改變占空比，使輸出電壓和電流升高，以滿足設(shè)計(jì)要求。以下保持輸入電壓不變，把占空比變?yōu)?0%，再仿真一次。仿真結(jié)果如下圖所示： 圖4純電阻50%占空比波形圖由前面計(jì)算公式，我們知道當(dāng)輸入電壓為30V時(shí)，占空比0.5時(shí)，輸出電壓理論值為30V，由上圖知，仿真輸出電壓大約為27.8V。仿真輸出電流大約2.8A，輸出功率77.84W，大于20W，符合設(shè)計(jì)要求。不妨改變輸入電壓再試試。以下把輸入電壓改為10V，由于需要升高電壓，所以取占空

8、比80%。仿真波形如下：圖5純電阻80%占空比波形圖由圖知輸出電流大約3.37A，輸出電壓大約33.7V，輸出功率113.57W，大于20W，符合設(shè)計(jì)要求。由上述波形圖可以看出，電壓電流的波形都近似為一條直線。輸出電壓，電流與理論值都存在小小的誤差。但考慮到其他元件自身的阻抗作用，這種誤差是能夠容許的。3用芯片實(shí)現(xiàn)升降壓3.1 LM2596降壓LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，

9、與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。該器件還有其他一些特點(diǎn)：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，可調(diào)輸出電壓范圍1.2V37V4%，輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)，輸出電流可高達(dá)3A，采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高。通過外圍電路能夠使得LM2596芯片輸出電壓可調(diào)，輸出電壓的計(jì)算可由下式給出： （3-1）Vout=1+R2R1VREF 圖6 LM2596降壓模塊3.2 MC34063芯片升壓 MC34063是一單片雙極型線性集成電路

10、，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。能在3.0-40V的輸入電壓下工作，輸出開關(guān)輸出電壓可調(diào)，工作振蕩頻率從100HZ到100KHZ。MC34063組成的升壓電路原理如圖,當(dāng)芯片內(nèi)開關(guān)管(Q1)導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)取樣電阻Res、電感L2、 MC34063的1腳和2腳接地，此時(shí)電感L2開始存儲(chǔ)能量，而由C_out對(duì)負(fù)載提供能量。當(dāng)T1斷開時(shí)，電源和電感同時(shí)給負(fù)載和電容C_out提供能量。電感在釋 放能量期間，由于其兩端的電動(dòng)勢(shì)極

11、性與電源極性相同，相當(dāng)于兩個(gè)電源串聯(lián)，因而負(fù)載上得到的電壓高于電源電壓。開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的頻率稱為芯片的工作頻率。只要此頻率相對(duì)負(fù)載的時(shí)間常數(shù)足夠高，負(fù)載上便可獲得連續(xù)的直流電壓。 圖7 MC34063升壓模塊3.3 PCB版制作流程1、打印電路板。將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來2、裁剪覆銅板，用細(xì)砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉(zhuǎn)印電路板時(shí)，熱轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標(biāo)準(zhǔn)是板面光亮，沒有明顯污漬。3、轉(zhuǎn)印電路板。將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，最好用膠帶粘住，對(duì)齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時(shí)一定要保證轉(zhuǎn)印紙沒有錯(cuò)位。一般來說經(jīng)

12、過3-5次轉(zhuǎn)印，電路板就能很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上4、腐蝕線路板.用腐蝕劑服飾結(jié)合熱水加快服飾速度。5、線路板鉆孔。線路板上是要插入電子元件的，所以就要對(duì)線路板鉆孔了。依據(jù)電子元件管腳的粗細(xì)選擇不同的鉆針6、線路板預(yù)處理。鉆孔完后，用細(xì)砂紙把覆在線路板上的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。水干后，用松香水涂在有線路的一面，為加快松香凝固，用熱風(fēng)機(jī)加熱線路板，只需2-3分鐘松香就能凝固。7、焊接電子元件。焊接完相應(yīng)的電子元件，通電檢測(cè)和測(cè)試。4心得體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)電力電子技術(shù)有了更深的認(rèn)識(shí)，讓我進(jìn)一步了解了電力電子器件。在這次課程設(shè)計(jì)中我主要擔(dān)任電路仿真的工作，雖然在此期間遇到了很多困難，重復(fù)了很多遍都沒有仿成功，但是經(jīng)過查找資料，向老師同學(xué)請(qǐng)教，之后得到你要的結(jié)果時(shí)，那種喜悅感，那種興奮感如果沒有這一過程是無法體會(huì)的。仿真讓我進(jìn)一步學(xué)習(xí)了matlab軟件，學(xué)會(huì)了很多關(guān)于仿真的知識(shí)。當(dāng)然，此過程少不了老師的付出和同學(xué)合作