电力电子课程设计

《电力电子技术综合实习》报告设计题目：Boost和Buck-Boost变换器的设计专业班级：学生姓名：学生学号：指导老师：完成日期：2016.6.18江苏大学·电气信息工程学院1《电力电子技术综合实习》任务书1.设计题目：Boost和Buck-Boost变换器的设计2.设计任务：分析Boost和Buck-Boost变换器的工作原理，根据给定参数设计Boost和Buck-Boost变换器开关管T、二极管D、电感L和电容C的参数，采用MATLAB软件对所设计的变换器进行仿真分析。1)Boost变换器的给定参数：输入电压Ui=80V，输出电压Uo=90-120V，开关频率fs=45kHz，负载电阻R=500Ω，输出电压纹波γ≤5%，输电电流纹波△I≤10%。+UinLCRTDiDioiCiTiLuL+-Uo+-2)Buck-Boost变换器的给定参数：输入电压Ui=80V，输出电压Uo=50-120V，开关频率fs=45kHz，负载电阻R=500Ω，输出电压纹波γ≤5%，输出电流纹波△I≤10%。LCRSDiDioiCiSiLuL+-Uo+-uD+-+-Ui+-uS3.设计要求：独立完成课程设计，撰写报告并采用A4纸张打印装订。2《电力电子技术综合实习》报告内容一、原理分析1)Boost变换器的给定参数：输入电压Ui=80V，输出电压Uo=90-120V，开关频率fs=45kHz，负载电阻R=500Ω，输出电压纹波γ≤5%，输电电流纹波△I≤10%。+UinLCRTDiDioiCiTiLuL+-Uo+-S导通S断开当开关管S导通时，电感L的电流iL线性上升，电感储能，电感电流增加量为：当开关管S关断时，电感L的电流iL线性下降，电感放能，电感电流减少量为：inLiniONUDTdiULdtL1oinLinoiOFFUUDTdiUULdtL---LCRSDiDioiCiSiLuL+-Uo+-uD+-uS+-Ui+-LCRiDioiCiSiLuL+-Uo+-uD+-Ui+-LCRiDioiCiSiLuL+-Uo+-uS+-Ui+-3电感电流波形分析：（电感电流连续）根据能量平衡原理，电感电流脉动量为：输入电流平均值与电感电流平均值相等，分别为：二、参数设计由EEtttUoffoffon-+110知，取=20%得Uo=100VARUI2.050010000要使电流纹波△I≤10%，电压纹波γ≤5%11()1iLiONiOFFoiioiUUDTUDTLLUUD---升压maxmini2LLLIIII+40.10.1*0.20.02LiIo，VUU505.000由80*0.20.01780.02*45000inLUDLif，70.2*0.2345000*0.05oIoDCefu-可得：80*0.20.01780.02*45000inLUDLifH70.2*0.2345000*0.05oIoDCefu-F管子耐压值：VUoUs360~240120*)3~2(max)3~2(max管子电流值：ALfDUDIoIiD74.0~56.0)21max)(2~5.1(maxminmaxmax+-三、仿真验证原理图取80*0.20.01780.02*45000inLUDLifH，70.2*0.2345000*5oIoDCefu-F56电容扩大10倍7电感扩大10倍8当电流断续时，取电感缩小100倍经过以上波形以及波纹的比较，实际取值L=0.0178H,C=63-eF（即电容值比计算值扩大10倍）92)Buck-Boost变换器的给定参数：输入电压Ui=80V，输出电压Uo=50-120V，开关频率fs=45kHz，负载电阻R=500Ω，输出电压纹波γ≤5%，输出电流纹波△I≤10%。LCRSDiDioiCiSiLuL+-Uo+-uD+-+-Ui+-uS原理分析S导通S关断当开关管S导通时，电感L的电流iL线性上升，电感储能，电感电流增加量为：LDTUidtdiLUiinONLRUoIodtduCo当开关管S关断时，电感L的电流iL线性下降，电感放能，电感电流减少量为：LTDUoidtdiLUiOFFL)1(--IodtduCioL+电感电流波形分析：10根据伏秒平衡原理，电感电流脉动量为：OFFONLiiiLTDUoLDTUin)1(--inUDDUo--1参数设计：由UiUo-1可知，取=60%得Uo=120VARUoIo24.0500120要使电流纹波△I≤10%，电压纹波γ≤5%△AiL024.024.0*1.0,△VU6120*05.0由80*0.20.01780.02*45000inLUDLif，70.2*0.2345000*0.05oIoDCefu-可得：1180*0.20.01780.02*45000inLUDLif=H044.045000*024.06.0*8070.2*0.2345000*0.05oIoDCefu-=733.56*450006.0*24.0-eF管子耐压值：VUoUs360~240120*)3~2(max)3~2(max管子电流值：ALfDUDIoIiD22.1~92.0)21max)(2~5.1(maxminmaxmax+-仿真验证：原理图12取L=0.044H，C=733.5-eF13电容扩大10倍14电感扩大10倍15当电流断续时，取电感缩小100倍经过以上波形以及波纹的比较，实际取值L=0.044H,C=633.5-eF（即电容值比计算值扩大10倍16五、设计总结由仿真结果不难得出，为了满足系统最小的性能要求，器件的正确选择十分重要，由于加载电压输出电容在电场储存能量，所以定性的说，电容的功能就是试图保持一个固定不变的电压。通常选取Boost和Buck-Boost功率级的输出电容值使得把输出电压的纹波电压限制在规格要求的水平。电容的串联阻抗和功率级的输出电流决定了输出电压的纹波。导致电容产生阻抗（和输出电压纹波）的三个元素是等效串联电阻、等效串联电感和电容。对于连续电感器电流模式下的工作，为了确定电容值，需要知道它一个关于输出负载电流IO、开关频率fS、要求的输出纹波电压ΔVO的函数，在假定所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况，这是因为在功率级开态（ON），输出电容器提供了所有的输出负载电流。对于非连续电感器电流模式下的工作，为了确定需要的电容值，在假定所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况，但是在很多实际的设计中，为了得到需要的等效串联电阻，通常都要选择比我们计算出来的电容值大的电容器。电感器的功能是储存能量，电流流过时能量会以磁场的方式储存下来，所以定性的说，电感器的作用就是试图保持固定不变的电流值，或者等效的说是限制流过电感器电流的变化率。选择Boost和Buck-Boost功率级的输出电感器电感值主要是限制流过它的纹波电流的峰峰值。选择以后，功率级的工作模式，连续或非连续，就确定下来了。电感器纹波电流跟加载的电压和加载电压的时间成正比，跟电感值成反比，除了电感值，在选择电感器时需要考虑的其它重要因素有最大直流或峰值电流和最大工作频率。让电感器在它的额定直流电流内工作对确保电感器不出现过热或饱和很重要。电感器工作在低于最大额定频率可以保证不会超过最大内部损耗，从而避免出现过热或饱和。功率开关的功能是控制从输入功率源到输出电压的能量流动。在Buck-Boost功率级，功率开关当开关打开时连通输入到电感器，开关关上时断开连接。功率开关必须在开时在输出电感器传导电流，关时阻止输入电压和输出电压的差值。而且功率开关必须很快的完成一个状态到另一个状态的转换，从而避免在开关转换时间内的功率损耗。这篇报告中考虑的功率开关类型是功率型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。其它的功率器件也可以用，但是在大多数情况下，在考虑到费用和性能时（考虑驱动电路时），MOSFET是最好的选择。可以使用的17MOSFET有两种类型：n通道型和p通道型。P通道型MOSFET在Buck-Boost功率级中的使用更流行，因为驱动p通道的门比驱动n通道MOSFET中的门要简单。MOSFET选取时，V(BR)DSS的额定值要大于输入电压和输出电压的最大差值，而且要为瞬变量和尖峰信号预留一点的余量。选择MOSFET时还要求额定ID(Max)至少是功率级电感器最大电流的两倍。然而有很多时候这还不是足够的余量，还要考虑到MOSFET结的温度，保证没有超过范围。输出二极管在功率开关关闭时导通，为电感器电流提供通路。在选择整流器时要考虑的主要要素为：快速开关、击穿电压、额定电流、为降低功率损耗的低的正向电压下降和合适的封装。除非应用场合确实需要用到高费用和复杂的同步整流器，肖特基整流器通常是低压输出的最好解决方案。击穿电压必须大于输入电压和输出电压的最大差值，而且必须为瞬时值和尖峰预留一定的余量。额定电流要至少是功率级最大电流的两倍。通常额定电流要远大于输出电流，因为功率和结温度的限制决定了器件的选择。二极管上的损耗主要由导通态二极管上的电压降造成的，二极管上的功率损耗可以由前向电压和输出负载电流的乘积来计算得。从导通态转化为非导通态时的转换损耗相比于传导损耗来说，非常小，通常忽略。通过这次电力电子仿真实验，我掌握了开关电源的设计思路和方法。通过对各个模块进行设计，对开关电源有了更深刻的理解。其各模块主电路、控制电路、驱动电路、保护电路设计方法和思路比较多，通过比较各模块各个实现方法优缺点和设计的要求，选择了比较适合的电路。本设计的主要特点是采基本实现了任务要求并进行了一些拓展。通过不同参数的设置与尝试，电源的稳定性好，响应更快。本设计还有不足之处，理论上的设计，在实际应用中还存在一些实现问题。通过对Boost和Buck-Boost电路建模，在MATLAB上进行仿真，验证了设计思路的正确，和理论性的可实现。在建模中采用多种实验方法，使系统具有良好的性能，其技术指标均满足要求。其调试过程比较麻烦，尤其是参数的整定，要获得良好的响应曲线必须有耐心。通过仿真对软件MATLAB有了一定的了解，能够比较熟练的应用功能强大的仿真模块simulink。在此感谢老师的悉心指导和队友的团队协作，使得实验顺利完成，在今后的18学习生活中我一定再接再厉。