BUCK-DC-DC电路的设计

BUCK-DC-DC电路的设计电气与电子信息工程学院电力电子课程设计设计题目：降压斩波电路设计专业班级：电气工程及其自动化本科1班学号：200840220116姓名：指导教师：设计时间：2011/5/3～2011/5/13设计地点：K2电力电子实验室2电力电子课程设计成绩评定表姓名朱波学号200840220116课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：1、电压型逆变电路有什么特点？（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同（3）阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管2、在选择IGBT时应注意什么？在选择IGBT模块时，应考虑器件耐压电流2个参数确定。在器件耐压电流参数确定时，首先根据IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，通常模块工作电压（600V、1200V、1700V分为3个电压等级）均对应于常用电网电压等级。考虑到因过载、电压波动、开关过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线的1倍。成绩评定依据：课程设计考勤情况（20％）：课程设计答辩情况（30％）：完成设计任务及报告规范性（50％）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：2011年5月20日3《电力电子课程设计》课程设计任务书学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化指导教师：工作部门：电气学院电气自动化教研室一、课程设计题目：降压斩波电路设计二、课程设计内容1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；2.学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；3.编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000字以上）。注：详细要求和技术指标见附录。三、进度安排1．时间安排序号内容学时安排（天）1方案论证和系统设计12主电路设计13保护电路设计14驱动电路设计15设计答辩1合计5设计指导答辩地点：电力电子室42．执行要求电力电子课程设计共9个选题，每组不得超过6人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。四、基本要求（1）参考毕业设计论文要求的格式书写，所有的内容一律打印；（2）报告内容包括设计过程、电路元件参数的计算、系统仿真结果及分析；（3）要有完整的主电路原理图和控制电路原理图；（4）列出主电路所用元器件的明细表。（5）参考文献五、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况50分答辩回答问题情况30分90～100分：优；80～89分：良；70～79分：5中；60～69分，及格；60分以下：不及格六、课程设计参考资料[1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001[2]王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001[3]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001[4]石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导.北京：机械工业出版社，1999[5]赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010指导教师：南光群、黄松柏2011年10月8日教研室主任签名：2011年10月9日附录：详细要求和技术指标降压斩波电路设计一、设计要求：61、输入直流电压：Ud=100V；2、输出功率：150W；3、开关频率：10kHz；4、占空比：0.1~0.9；5、电阻性负载；6、输出电压脉率：小于10%。二、设计内容：1、主电路参数的计算；2、全控型器件电流、电压额定的选择；3、电力二极管电流、电压额定的选择；4、电抗器电感值的计算；5、保护电路的设计；6、驱动电路的设计；7、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图；8、列出主电路所用元器件的明细表。摘要直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。关键字：直流斩波，降压斩波2目录第1章电路总体设计方案······················81.1设计课题任务························81.2功能要求说明························81.3设计总体方案和设计原理···················8第2章电路的设计························102.1IGBT驱动电路的设计····················10第3章电路各元件的参数设定及元件型号选择············123.1各元件的参数设定·····················123.2元件型号选择·······················14第4章系统仿真及结论······················104.1仿真软件的介绍······················104.2仿真电路及其仿真结果····················114.3仿真结果分析·······················17第5章心得体会·························19参考文献····························19致谢·····························20附录电子元器件表························203第1章电路总体设计方案1.1设计课题任务设计一个直流降压斩波电路。1.2功能要求说明将24V直流电压降压输出并且平均电压可调，范围为0-24V。1.3设计总体方案和设计原理降压斩波电路的原理图以及工作波形如图1.1所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。图1.1降压斩波电路原理图如图1.2中V的栅极电压uGE波形所示，在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按指数上升。当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，通常是串联的电感L值较大。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图1.2所示。负载电压平均值为EETEUonoffonontttto式1.14式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式1.1可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为E，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。负载电流平均值为REUImoo图1.2降压斩波电路的工作波形5第2章电路的设计2.1IGBT驱动电路的设计IGBT的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器LM358产生矩形波。图2.1LM358的引脚图LM358简介：LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。描述：运放类型:低功率放大器数目:2针脚数:8工作温度范围:0°Cto-70°C封装类型:SOIC6-3dB带宽增益乘积:1.1MHz变化斜率:0.6V/μs器件标号:358电源电压最大:32V电源电压最小:3V安装器件:表面安装图2.2比较器产生方波电路图其中2、3口是输入口4、6接直流电源电压1为输出口。7第3章电路各元件的参数设定及元件型号选择3.1各元件的参数设定1.IGBT的参数设定图3.1IGBT的简化等效电路以及电气图形符号术语符号定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压VCES栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压栅极发极间电压VGES集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压集电极电流IC集电极所允许的最大直流电流耗散功率PC单个IGBT所允许的最大耗散功率结温Tj元件连续工作时芯片温厦关断电流ICES栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。表3.1IGBT模块的术语及其说明8图3.2降压斩波电路电路图图3.3降压斩波总电路图由图3.2所示此次设计的电源电压为220V，当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为电源电压，因此UCE=220V。图3.4IGBT的转移特性和输出特性UGE(th)随温度的升高略有下降，温度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C时，UGE(th)的值一般为2-6V。参考电力电子技术课本可得：9REmeeREREeeImTt)11()11(//min1式3.1REmeeREREeeImTt)11()11(//max1式3.2式中，/T；EEmm/；TTtt11/。若取R为10，则：ARI22/220max2.续流二极管VD的参数设定VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通是的电源电压100V。所承受的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流，此电流为AI22max。3.电感的参数设定由上面所选的电阻20欧姆，根据欧姆定律：当Uo=80V时，Iomax=4A;当Uo=50V时，Iomin=2.5A;根据电感电流连续时电感量临界值条件：L=Uo*（Ud-Uo）/(2UdIo)为了保证负载最小电流电路能够连续，取Io=2.5A来算，可得L=0.125mH，所以只要所取电感L0.125mH，取L=1mH。4.开关频率f=40kHz5.电容设计要求输出电压纹波小于1%，由纹波电压公式：UdLCfUoUdUoUc28/)(*可得LC=0.195uH*F取C=0.47mF3.2元件型号选择考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440V-660V.额定电流33A-44A，二极管VD与其类似，VD的最大反向电压为220V。选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为o0IUR10600V，额定电流为40A。选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其而定电压为600V，额定电流为25A。第4章系统仿真及结论4.1仿真软件的介绍此次仿真使用的是MATLAB软件。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大