电力电子技术课程设计之降压斩波电路

目 录 摘要 一、概述    2 二、##    3 三、主电路设计    5 四、Simulink仿真系统设计    8 五、总结    17 六、参考文献    18 一、概述 从八十年代末起，师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。 有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。 为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在SIMULINK中来完成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。 直流斩波电路（DC Chopper）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，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。 习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。 直流斩波电路的种类较多，包括6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，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。 利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，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。 直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。 所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。 二、设计方案 本课程设计主要应用了MATLAB 软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计与仿真。系统主要包括：直流稳压电源部分、BUCK降压斩波主电路部分、PWM控制部分和负载。 BUCK降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可。 在SIMULINK中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用SIMULINK提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。 根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。 图1电路框图 在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。 三、主电路设计 1、主电路设计 如图2，设计一个降压变换器，输入电压为220V，输出电压为50V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为20Ω，工作频率分别为20KHz.分别仿真将工作频率改为50KHz，电感改为约临界电感值的一半进行对比分析。 图2 降压斩波主电路图 2、保护电路设计 1）过电压保护 所谓过电压保护，即指流过IGBT两端的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。其电路如图3所示 图 3 过电压保护电路 2）过电流保护 所谓过电流保护，即指流过IGBT的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值Im都称为过电流。这里采用图4所示的电路 图4 过电流保护电路 3） IGBT的保护 静电保护       IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。在静电较强的场合，MOSFET容易静电击穿，造成栅源短路。采用以下方法进行保护：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。 过电流保护 IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法，电路如图5所示 图 5 集射极电压状态识别保护电路 短路保护 图 6 短路保护电路 4)  缓冲电路   缓冲电路（吸收电路）的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。这里采用由R LC组成的电路来吸收电压、电流，如图7。 图7 缓冲电路 3、主电路的计算和元器件的参数选型 1）计算 定义开关管导通时间ton与开关周期Ts的比值为占空比，用Dc表示 Dc=ton/Ts 电感Lc= Uo(1-Dc)Ts/(2Po*Po) 其中: Po= Uo*Io 纹波电压U1= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LC 电容C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU1 2)元器件参数 主开关管可以使用MOSFET,开关频率为20Hz； 输入200V，输出50V，可确定占空比为Dc=25% 选择电感Lc= Uo(1-Dc)Ts/(2Po*Po)=3.75*10^(-4)H 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc则电感电流连续，试剂电感值可选为1.2倍的临界电感值，可选择为4.5×10?4H； 据波纹的要求计算电容值C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU1=2.6*10^(-4)F 当开关频率为50kHz时，L=1.8*10^(-4)H,C=1.04*10^(-4) 四、Simulink仿真系统设计 1、建立一个buck的新模型 在“SimpowerSytems/Electrical Sources”库中选择”DC voltage source”直流电压模块在对话框中将直流电压设置为200V。如下图： 在“SimPowerSystems/ElectricalSources”库中选择“Series RLC Branch”,右键选择单击并拖动，在复制出2个该元件，分别在对话框中“Branch Type”下拉菜单中选择R、L、C，按照1）的计算结果赋值，在电感元件的对话框里最下方“Mesurement”选择“Branch voltage and current”,以使能电感的端电压测量和电流测量，电阻元件的对话框里“Mesurement”选择“Branch voltage”，以使能负载电阻端的电压测量，亦即Buck变换器的输出电压，具体如下图： 在“SimPowerSystems/ Mesurement” 库中选择“Multimeter”,对话框中的坐便又“Ub;L”、“Ib:L”、“Ub:R”几项，依次选中，在右边窗口中显示，这样就可以对电感电压、电感电流、负载电阻电压进行测量,如下图： 在“Simulink/Source”库中选择“Pulse Generator”库中选择“Pulse Center”,对话框中“Period(secs)”设置为20e-6,“Pulse Width(% of period)”设置为25，其他设置保持为缺省值。如下图： 在“Simulink、Signal Routing”库中选择：“Bus Selector”,在复制出1个，分别连接在“Mosfet”和“Diode”的测试端口，将“Bus Selector”设置为测试各自的电流，连接二极管的“Bus Selector”对话框设置，如下图： 在“Simulink/sink”库中选择示波器“Scope”，将其设置为6个输入通道，具体的设置方法如下图： 为了实时显示输出电压的平均值，在“SimPowerSystems/Extra Library/ Mesurement”里面选取“Mean Value”，双击打开对话框，将其参数设置中的“Averaging Period(s)”设置为20e-6（求平均值时的这个周期设置可以使信号周期的整数倍），在“Simulink/sink”里面选取“Display”。如下图： 在“SimpowerSytems/Power Electrical Sources”库中选择“Mosfet”和 “Diode”模块，参数保留其缺省值。如下图： 最终完成仿真模型如图所示。仿真时间为0.1s，仿真算法为ode23tb。 2、仿真结果分析 在菜单栏“Simulation”里面的“Configuration Parameters”里面设置仿真算法，仿真算法可以选取步长“Variable-step”下的ode23tb，其他设置可以保持缺省，其中将“Max-step”（最大步长）设置的比较小（如1e-6或者1e-5）能够使输出波形较为平滑。本例中“Max-step”选择缺省值（auto）。 如下图上到下的波形依次为MOSFET们极触发脉冲Ug、电感电压Ul、电感电流il、输出电压Uo、MOSFET电流iT、二极管电流iD。电感电流连续，各个波形与理论波形规律一致。 f=20kHz F=50kHz 对比上面两个图可知，在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则电感值减少为1/n，电容值也减少到1/n，从式中也可以得到这个结论。 另外可以发现图中，输出电压平均值没有达到50 v，而只有48.91v左右，这是由于反并联二极管的导通压降使得输出比理论值小，在仿真模型中，二极管的导通压降为0.8V，导通时通态电阻为0.001Ω，流经电流也会造成一定的电压降，因此输出电压比50V小，在前文分析稳态时的工作波形时，得到的结果是在假设了导通后开关管电压为0V以后，当开关器不是理想器件时，电压和电流会有变化。 在电感电流断续的仿真中，导通占空比D=25%，若要使输出电压仍为50V，则需适当减小导通占空比。电流断续时占空比的确定比较难，因此在实验前可进行仿真确定占空比的范围，这样可缩短开发周期。 五、总结 经过几天的电力电子课程设计让我们懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。 对课程设计课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，还有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。 知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。 尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解Simulink的运用，不同的模块代表什么，功能是什么。毕竟是第一次进行课程设计，能力不够，所以很多问题都没有考虑周到，有些难题是和同学们商量才得出的结果，期间和组员做了很多的沟通和商量，从而解决了很多问题，这在合作上也是一个不小的进步，这让我明白了很多东西。 撰写这份也很用心，花了很多的时间，提高了课程设计报告的撰写水平，这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的 这次的设计经验，在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么大的设计，应该分模块去完成，才会把看似难题的东西解决掉。 通过这个的电力电子课程设计，初步掌握了如何在MATLAB/SIMULINK环境中进行电路图的绘制和仿真,基本学会了如何进行各个参数的设置和计算,了解了一些故障的解决办法，为以后的工作和学习奠定了一定的基础。 六、参考文献 1、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，1997. 2、华亮，沈申生。Matlab/Simulink在单相交流调压电路仿真中的应用.电力学报.2005 3、张宝生，王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用.电气电子教学学报.2004 4、林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:中国电力出版社.2009. 5、黄忠霖.MATLAB符号运算及其应用.北京:国防工业出版社,2007.