課程設(shè)計(jì)---igbt降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流—直流交流電路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，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭ɑ蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路在直流交流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，通常采用變壓器

2、實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離。本次設(shè)計(jì)將針對斬波電路實(shí)現(xiàn)變流。</p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)

3、、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　直流斬波電路種類包括六種基本斬波電路，本次設(shè)計(jì)將使用降壓斬波電路（Buck Chopper）。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流斬波；降壓斬波；IGBT</p><p><b>　　目 錄</b></p>

4、<p>　　摘要 …………………………………………………………………………………Ⅰ</p><p>　　第一章 總體設(shè)計(jì)方案………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) ………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 功能要求說明…………………………………………………………

5、……1</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原理………………………………………………………1</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)總電路…………………………………………………………1</p><p>　　1.3.2 設(shè)計(jì)電路原理………………………………………………………1</p><p>　　第二章 電路設(shè)計(jì) ………………………………

6、…………………………………4</p><p>　　2.1 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)………………………………………………………4</p><p>　　2.1.1 電路數(shù)學(xué)分析………………………………………………………4</p><p>　　2.1.2 參數(shù)確定……………………………………………………………5</p><p>　　2.2 IGBT驅(qū)動電

7、路設(shè)計(jì) ………………………………………………………6</p><p>　　2.3 整流電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 6</p><p>　　2.3.1 整流電路選取………………………………………………………6</p><p>　　2.3.2 整流電路分析………………………………………………………7</p><p>　

8、　第三章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析………………………………………………………8</p><p>　　3.1 仿真軟件簡介………………………………………………………………8</p><p>　　3.2 仿真電路及參數(shù)設(shè)置………………………………………………………8 </p><p>　　3.3仿真結(jié)果及分析………………………………………………………… 11<

9、/p><p>　　結(jié)束語 ………………………………………………………………………………14</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………15</p><p>　　附錄 總電路圖 ……………………………………………………………………16</p><p><b>　　電路總體設(shè)計(jì)方案</b

10、></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　IGBT降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）。</p><p>　　1.2 功能要求說明</p><p>　　1、輸入直流電壓：Ud=100V；</p><p>　　2、輸出功率：300W；</p><

11、p>　　3、開關(guān)頻率5KHz；</p><p>　　4、占空比10%~90%；</p><p>　　5、輸出電壓脈率：小于10%。</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原理</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)總電路</p><p>　　確定降壓斬波器電路如圖1.1所示：</p><p&

12、gt;　　圖1.1 降壓斬波（buck）電路原理圖</p><p>　　此電路使用一個(gè)全控型器件T，圖中為IGBT。并設(shè)置了續(xù)流二極管D，在T關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。這種電路的電壓源性質(zhì)，負(fù)載為電源性質(zhì)。電路完成把直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓的功能。</p><p>　　1.3.2 設(shè)計(jì)原理</p><p>　　為了分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)，對圖1.1做如下假

13、設(shè)：</p><p>　?。?） IBGT 二極管是理想元件，即可以瞬間導(dǎo)通或截止，沒有導(dǎo)通壓降（導(dǎo)通時(shí)電阻為0），截止時(shí)沒有漏電流。</p><p>　?。?） 電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。</p><p>　　（3） 輸出電壓中的紋壓與輸出電壓的比值很小，可以忽略。</p><p>

14、;　　則buck電路將有兩種工作狀態(tài)：</p><p>　?。?）當(dāng)IGBT導(dǎo)通如圖1.2（a）所示，電源向負(fù)載供電，續(xù)流二極管因反向偏置而截止，電容開始充電，直流通過電感L向負(fù)載傳遞能量。此時(shí)，電感電流線性增加，儲存的磁場能量也逐漸增加。負(fù)載R流過電流，兩端輸出電壓上正下負(fù)。 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)IGBT管T導(dǎo)通時(shí)間為。 </p><p>　?。?）當(dāng)IGBT阻斷如圖1.2（b）所示，由于

15、電感電流不能突變，故通過二極管D續(xù)流。電感電流逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負(fù)載上，電感電流降低，L上儲能減小。電感電流減小時(shí)，電感兩端的電壓改變極性，二極管D承受正向偏壓而導(dǎo)通，構(gòu)成續(xù)流通路，負(fù)載電壓仍然是上正下負(fù)。當(dāng)電感電流小于負(fù)載電流時(shí)，電容處于放電狀態(tài)，以維持和不變。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)IGBT管T斷開時(shí)間為-。</p><p>　　圖1.2 Buck電路電感電流連續(xù)的工作狀態(tài)</p><

16、;p>　　定義IGBT管的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期的比值為占空比，用表示</p><p>　　根據(jù)上面的分析，繪出輸入輸出電壓波形如圖1.3所示。</p><p>　　1.3 Buck電路連續(xù)工作模式</p><p>　　則由波形可知，Buck電路能夠?qū)崿F(xiàn)直流輸入、降壓直流輸出。</p><p><b>　　第二章 電路的設(shè)計(jì)<

17、;/b></p><p>　　2.1 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　降壓斬波主電路如圖1.1中除電源與觸發(fā)電路后的部分。</p><p>　　2.1.1 電路數(shù)學(xué)分析</p><p>　　主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，Buck電路工作于圖1.2（a）的狀態(tài)。電源電壓通過T加到二極管D的兩端，二極管D反向截止。電流過電感，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入輸出電壓保持

18、不變，則電感兩端電壓的極性為左正、右負(fù)，忽略管壓降有.由于儲能電感的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于開關(guān)周期，因而在該電路電壓的作用下輸出濾波電感中的電流可近似認(rèn)為是線性增長，直到時(shí)刻，達(dá)到最大值.電感電流線性上升的增量為：</p><p><b>　?。?-1-1）</b></p><p>　　當(dāng)主開關(guān)管截止時(shí)，Buck電路工作在1.2（b）的狀態(tài)。電感兩端的電壓極性為左負(fù)、右正，二

19、極管導(dǎo)通續(xù)流，忽略管壓降有，同樣可以認(rèn)為電感中電流可近似認(rèn)為是線性下降，下降量絕對值為：</p><p><b>　　（2-1-2）</b></p><p>　　當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感波形必然周期重復(fù)，開關(guān)管T導(dǎo)通期間電感中的電流增加量等于其截止時(shí)電感中的減少量，即</p><p><b>　?。?-1-3）</b>&l

20、t;/p><p>　　聯(lián)合式（2-1-1）和（2-1-3）可得： </p><p><b>　　（2-1-4）</b></p><p>　　由式（2-1-4）可知，改變輸出電壓的辦法既可以調(diào)整輸入電壓，也可以改變占空比。在輸入電壓一定的情況下，改變占空比則可控制輸出平均電壓。輸出平均電壓總是小于輸入電壓。連續(xù)導(dǎo)通模式下Buck電路的電壓增

21、益M為</p><p><b>　　（2-1-5）</b></p><p>　　2.1.2 參數(shù)確定</p><p>　　當(dāng)電感較小、負(fù)載電阻較大，則負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)較小，或當(dāng)開關(guān)周期較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，但新的周期卻沒有開始的情況，即出現(xiàn)了電感電流斷續(xù)。如果在時(shí)刻電感電流剛好降到零，則為電感電流連續(xù)的臨界狀態(tài)，如圖2.1。<

22、;/p><p>　　此時(shí)負(fù)載電流和間的關(guān)系為</p><p>　　圖2.1Buck電路電感電流處于臨界狀態(tài)</p><p><b>　　（2-1-6） </b></p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　?。?-1-7）</b>

23、</p><p>　　聯(lián)合式（2-1-2）、式（2-1-6）和式（2-1-7）用下標(biāo)C表示臨界參數(shù)值，則</p><p><b>　?。?-1-8）</b></p><p>　　式中為輸出功率（W），。</p><p>　　經(jīng)過電容的電流對電容充電產(chǎn)生的電壓，與參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為：</p><p>

24、;<b>　　( 2-1-9）</b></p><p>　　則根據(jù)要求的和其他參數(shù)可求得電路的電容：</p><p><b>　?。?-1-10）</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)頻率為5KHz（Ts=1/5000），輸入電壓為直流100V,選擇負(fù)載電阻為20Ω，確定占空比為Dc=25%。根據(jù)式（2-1-8）

25、選擇電感</p><p>　　這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，要保證電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選1.2倍臨界電感，可選1.8e-3H。</p><p>　　根據(jù)式（2-1-10）選擇電容：輸出脈率要小于10%，選為2%，則有</p><p>　　2.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)以ICL8038為核心，實(shí)現(xiàn)占空比可變電

26、壓信號的輸出以觸發(fā)IGBT。</p><p>　　ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端, 所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。</p><p>　　ICL8038的引腳圖如圖2.2所示

27、。</p><p>　　圖2.2 ICL8038引腳圖</p><p>　　方波信號由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生的原理圖如圖2.3所示</p><p>　　圖2.3 ICL8038用于方波波信號發(fā)生</p><p>　　2.3 整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1 整流電路選取</p><

28、p>　　本設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路. 對整流出來的電壓進(jìn)行傅里葉變換得:</p><p><b>　　（2-3-1）</b></p><p>　　由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RC濾波器,因?yàn)殡娙轂V波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流

29、比較大的電路中。因此本電路選用電容濾波.因?yàn)楸倦娐芬笥蟹€(wěn)定的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓。</p><p>　　整流電路的原理圖如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 整流電路圖</p><p>　　2.3.2 整流電路分析</p><p>　　如圖2.4所示，輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為

30、2.2/1）后輸出100V、50Hz。當(dāng)同名端為正時(shí)D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時(shí)D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個(gè)電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個(gè)大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為100V左右）。</

31、p><p>　　第三章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析</p><p>　　3.1 仿真軟件簡介</p><p>　　此次仿真使用的是MATLAB軟件。</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫方程，而只需通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。<

32、;/p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）,這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)

33、的仿真結(jié)果。</p><p>　　3.2 仿真電路及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　仿真電路如圖3.1。</p><p><b>　　具體參數(shù)設(shè)置如下：</b></p><p>　?。?）直流電壓值為100V，設(shè)置如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 電壓參數(shù)設(shè)置</p>&

34、lt;p>　　圖3.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型</p><p>　?。?）電阻R值設(shè)為20Ω，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 電阻參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）電感L值設(shè)為1.8e-3H，如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 電感參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）電容C

35、值設(shè)為1e-3F，如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 電容參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）開關(guān)頻率要求5KHz，設(shè)置周期為2e-4s，依次調(diào)節(jié)占空比，如圖3.6</p><p><b>　　所示。</b></p><p>　　圖3.6 周期及占空比參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?

36、）設(shè)置示波器的顯示時(shí)間范圍為0.001s，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 示波器顯示范圍參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果及分析</p><p>　　調(diào)節(jié)觸發(fā)信號，使IGBT的開關(guān)頻率為5KHz、觸發(fā)信號電壓占空比為=25%，通過示波器觀察參數(shù)IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL波形，如圖

37、3.8。</p><p>　　圖3.8 占空比Dc=25%各測量參數(shù)波形</p><p>　　調(diào)節(jié)觸發(fā)電路，輸出不同占空比的矩形波信號，并分別測觸發(fā)波形和輸出電壓波形，如圖3.9~3.12。</p><p>　　圖3.9 占空比Dc=40%觸發(fā)信號與輸出信號</p><p>　　圖3.10 占空比Dc=60%觸發(fā)信號與輸出信號</p&g

38、t;<p>　　圖3.11 占空比D=80%觸發(fā)信號與輸出信號</p><p>　　圖3.12 占空比D=99%觸發(fā)信號與輸出信號</p><p>　　圖3.8從上到下的波形依次為IGBT門極觸發(fā)脈沖Ug、IGBT電流IT、二極管電流ID、電感電壓UL、電感電流IL。電感電流連續(xù)，波形與圖1.3的理論波形規(guī)律一致。</p><p><b>　

39、　由公式，，可得：</b></p><p>　　當(dāng)=0.25，理論值=25V，仿真值=24.14V。相對誤差3.44%；</p><p>　　當(dāng)=0.40，理論值=40V，仿真值=39.16V。相對誤差2.1%；</p><p>　　當(dāng)=0.60，理論值=60V，仿真值=59.10V。相對誤差1.5%；</p><p>　　當(dāng)=0

40、.80，理論值=80V，仿真值=79.04V。相對誤差1.2%；</p><p>　　當(dāng)=0.99，理論值=99V，仿真值=97.99V。相對誤差1.02%。</p><p>　　仿真所得數(shù)據(jù)與理論值相對誤差符合設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)過幾天的努力我終于順利完成了此次

41、電力電子的課程設(shè)計(jì)，在這個(gè)過程中遇到了許多困難但通過解決困難也學(xué)到了很多知識。</p><p>　　首先，一開始著手設(shè)計(jì)時(shí)對電路的選擇比較茫然，不知道如何下手。通過熟悉教材相關(guān)章節(jié)和在線搜索相關(guān)知識，使問題得到了解決。</p><p>　　然后，在確定好設(shè)計(jì)電路后，計(jì)算元器件參數(shù)時(shí)由于缺乏理論基礎(chǔ)不知道如何計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。在熟悉了電路原理和電路各點(diǎn)電壓或電流參量的推導(dǎo)后問題也得到解決<

42、/p><p>　　后來在進(jìn)行MATLAB仿真時(shí)由于對軟件不熟悉，遇到了不少操作上的問題，而且對元器件庫不了解，致使花費(fèi)了很多時(shí)間才達(dá)到預(yù)期的效果。不過通過自己不斷的摸索現(xiàn)在對Simulink的常用元件的尋找及繪圖仿真、獲取仿真結(jié)果都比以前熟悉很多了。</p><p>　　最后，我要感謝本學(xué)期教授我們電力電子技術(shù)這門課的***教授，他不僅使我對電力電子這個(gè)領(lǐng)域有了初步的了解以及長足的興趣，而且通

43、過*教授的言傳身教我感受到了一種嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的治學(xué)精神。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［Ｍ］.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[2] 張振飛、陸秀令.電力電子技術(shù)及交直流調(diào)速技術(shù)試驗(yàn)指導(dǎo)書［Ｍ］.衡陽：湖南工學(xué)院，2009.</p>

44、;<p>　　[3] 周克寧.電力電子技術(shù)［Ｍ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[4] 黃家善.電力電子技術(shù)［Ｍ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[5] 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南［Ｍ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.</p><p><b>　　附 錄</b>&l