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升、降压直流斩波电路及matlab仿真.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.80M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    电力电子课程设计 目录 绪论………………………………………………………………….3 一． 降压斩波电路…………………………………………………..6 二． 直 流 斩 波 电 路 工 作 原 理 及 输 出 输 入 关 系 ……………12 三． D c／D C变换器的设计…………………………………………18 四． 测试结果…………………………………………………………19 五． 直流斩波电路的建模与仿真......................................29 六． 课设体会与总结....................................................30 七． 参考文献…………………………………………………………31 1
    电力电子课程设计 绪 论 1. 电力电子技术的内容 电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。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。 电有直流(DC)和交流(AC)两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值 和极性外，还有频率和相位的差别。 实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数(如电压， 电流，频率和功率因数等)进行变换。 变换器共有四种类型： 交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。 直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。这是与整流相反的变换，也称为 逆变。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。 交-交(AC-AC)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。其中：改变交流电压 2
    电力电子课程设计 有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。 直流-直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。 2. 电力电子技术的发展 在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。与这些旋转式的交流 机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械 噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。 1957年第一只晶闸管—也称可控硅(SCR)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶 闸管时代。 70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件(亦称自关断型 器件)，如：门极可关断晶闸管(GTO)、双极型功率晶体管(BJT/ GTR)、功率场效应晶 体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。 控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。现在已有专为各种控制功能设 计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。 微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高， 功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可 利用软件编程，既方便又灵活。 各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的 功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。 综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术 的发展动力。 3. 电力电子技术的重要作用 (1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效 3
    电力电子课程设计 和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、 轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查， 潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的 一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用 项目。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的 电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电 力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计 算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为 发挥计算机作用的保证和基础。 (3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化 方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度 达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技 术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出， 电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力 电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。 4. 电力电子技术课程的学习要求 (1) 熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。 (2) 熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌 握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。 (3) 了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。 4
    (4) 了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。 (5) 掌握基本实验方法与训练基本实验技能。 电力电子课程设计 摘要 介绍了一种新颖的具有升降压功能的DC／DC变换器的设计与实现，具体地分析 了该DC／DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述 了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果 关键词：DC／DC变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM； 直流脉宽调速 一．降压斩波电路 1.1 降压斩波原理： U 0  t Et on t  on off  t on T E  E  U 0 I 0  E M  R 式中 ont 为V处于通态的时间； offt 为V处于断态的时间；T为开关周期； 为导通 占空比，简称占空比火导通比。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式： 1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间 ont 不变，称为PWM。 2） 保持开关导通时间 ont 不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 3） ont 和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 5
    电力电子课程设计 L i o R VD u o a) M + - E M t t t t t t V i G t off i 2 I 20 t 1 t on T i 1 I 10 E E i G O i o O u o O i G i G O i o O u o O t on i 1 E b) t off T t x i 2 t 1 I 20 t 2 E E M c) 1.2 工作原理 1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io 按指数曲线上升 6
    2）t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为 电力电子课程设计 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使串接的 电感L值较大  基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析  从能量传递关系出发进行的推导  由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变  电源只在V处于通态时提供能量，为E 0I ont  在整个周期T中，负载消耗的能量为（R 0I T+ ME 0I T） 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等 U 0  t Et on t  on off  t on T E  E  U 0 I 0  E M  R 输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器 该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管， 需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续 流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载， 两种情况句会出现反电动势。 在具有升降压功能的非隔离式DC／DC变换器中，Buck-Boost变换器和Cuk变换器 是负极性输出，Sepic变换器和Zeta变换器是正极性输出，但这两个变换器结构复杂， 都需要两个储能电感，这必然导致变换器的损耗增加、效率变低，且体积和质 量大 ，引。本文针对实际研究项目中提出的要求，摒弃采用上述各种变换器， 设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的D C／D C变换器，并采用该DC／ DC变换器研制出达到技术指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用价值。 7
    电力电子课程设计 直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积 分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人为地或自动地改变直 流电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外 加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机 械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。 PWM 控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状 相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。在电力拖动系统中，调节 电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可 调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接 将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电 枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展， 采用门极可关断晶体管 GTO、全控电力晶体管 GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管 IGBT） 等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。 调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来 实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。 这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。 电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰 动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。 这是由于闭环控制系统具有反馈环节。 IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的自然进化。由于 实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻 率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了 RDS(on)特性，但是 8
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