电力电子课程设计

1本科课程设计专用封面设计题目：Cuk变换器的设计与仿真所修课程名称：电力电子技术课程设计修课程时间：2013年06月17日至6月23日完成设计日期：2013年06月23日评阅成绩：评阅意见：评阅教师签名：年月日________学院____专业姓名_____学号_____………………………………（密）………………………………（封）………………………………（线）………………………………1Cuk变换器的设计与仿真一．设计要求1）完成Cuk变换器的设计、仿真；2）设计要求：输入：DC100V；输出：DC50~150V二．题目分析Cuk电路是一种可升降压的直流变换器电路，它基本可看成是升压电路和降压电路相结合产生的一种开关电路，其电原理图如图1所示图1Cuk主电路图基本工作原理为：当控制开关VT处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。当控制开关VT处于断态时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即在书P127页的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得Tti0C0doff1on2tItI2从而可得：假设电容C很大使电容电压uc的脉动足够小，可得输出电压Uo与输入电压E的关系。当V导通时，即开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uc。当V截止时，即开关S合到A点时，uB=uc,uA=0，B点电压uB平均值为UB=toff.Uc/T又因电感L1的电压平均值为零，所以E=UB=toff.Uc/T。电感L2的电压平均值为零，A点的电压平均值为Ua=-ton.Uc/T可得出输出电压Uo与电源电压E的关系Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电流和输出负载电流都是连续的，没有阶跃变化，有利于对输入输出进行滤波。三．主电路设计、元器件选型及计算：主电路设计：结合CUK原理图设计为如下图2主电路图.其中电路元件分别为：直流电压源一个，电感两个，电解电容两个，电阻一个，二极管一个，一个IGBT和触发电压。图2Cuk主电路图元器件计算及选型：首先输入电流E=100V，开关频率f=20KHz，取R=10Ω。输出电压U0=Ton*E/Toff=α*E/(1-α)=0.4×100/(1-0.4)=66.67V。1onononoff12ttTttIIEEtTtEttU1ononoffono3输出电流I2=U0/R=66.7/10=6.67A，输入电流I1=α*I2/（1-α）=4.45A。电感取值L1=l2=1mH,电解电容取值C1=C2=30uF。IGBT型号：1XGH20N60A二极管型号：D1N5823脉冲参数设置：图3脉冲电压参数设置四．主电路仿真分析利用orCAD对电路仿真得到以下仿真波形：脉冲电压波形Time3.000ms3.100ms3.200ms3.300ms2.902msV(V2:+)-10V0V10V图4Ton期间脉冲为12V，Toff期间脉冲为-1V。输入电压波形Time0s10ms20ms30ms40ms50msV(V1:+)0V100V200V图54输出电压波形Time0s10ms20ms30ms40ms50msV(C2:-)-100V-50V0V图6输出电压=100*0.4/0.6=66.67V输入电流波形Time0s10ms20ms30ms40ms50msI(L1)-20A0A20A图7输入电流I1=α*I2/（1-α）=4.45ATime17.000ms17.100ms17.200ms17.300ms16.949msI(L1)2.5A5.0A7.3A图85输出电流波形Time0s10ms20ms30ms40ms50ms-I(R1)0A5.0A10.0A图9输出电流I2=U0/R=66.7/10=6.67AIGBT和二极管的两端电压Time30.100ms30.200ms30.300ms30.396msV(L1:2)V(L2:1)-200V0V200V图10正方形为IGBT，菱形为二极管通过IGBI和二极管的电流（正方形为IGBT，菱形为二极管）Time31.100ms31.200ms31.300ms31.011ms31.400msIC(Z1)I(D1)-20A0A20A图116五．控制电路设计控制原理：下图所示是DC／DC变换器控制系统的控制电路。专用触发芯片SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。图127六．设计总结首先，我们小组做的课题是Cuk变换器的设计与仿真。通过书本和网上资料整理出有用的信息。然后，我们通过计算，分析，分工合作以及集体讨论思考完成了此次课程设计。在这次课程设计中，遇到了不少问题。第一个问题是orCAD仿真软件的安装和使用，很不熟练，总是出现各种各样的错误，在同学的帮助下总算画好了原理图。第二个问题就是电路元器件参数和型号的确定，虽然计算出器件参数，按计算的设置好后，在仿真时却发现实际输出电压和设定的输出电压相差甚远，仿出来的波形完全不同于理论上的波形，不论怎样修改参数，输出电压Ｕｏ总是上不去，达不到50V~150V的输出要求。另外就是元件型号的确定，我们发现参数和型号的对应关系并不明显，不容易通过额定电压和额定电流来确定二极管和IGBT的型号。最后在汤老师的帮助下，将电容换成了电解电容，在R两端接了一个电容，并将元器件的型号作了修改，这些问题才得到解决。在解决这些问题的过程中，老师和同学的帮助很大，自己也收获颇多。在这次课程设计中，通过查找资料，请教老师，询问同学，以及不懈的努力，学会了使用orCAD仿真软件，对Cuk变换器有了更深的理解，对电力电子这门课的应用加深了认识，也培养了自己独立思考的能力。参考文献：[1]王兆安编著.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2013年1月评分表设计计算（30分）仿真验证（50分）控制电路的设计（20分）总成绩教师签名根据课题参数进行分析（10分）电路主电路设计，主开关元器件的选型等（20分）仿真模型的建立(20分)仿真参数的设置（15分）仿真的效果(15分)8