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1、 word 文档 可自由复制编辑 电力电子技术课程设计报告 课题：降压斩波电路的设计 姓名：学号：班级：指导老师：日期：2009 年 5 月 word 文档 可自由复制编辑 目录 一 引言 二 正文 1 降压斩波电路的设计目的 2 降压斩波电路的设计内容及要求 3 降压斩波电路主电路基本原理 4 IGBT 驱动电路 4.1 IGBT 简介 4.2 IGBT 基本结构与特点 4.3 驱动电路设计方案比较 4.4 IGBT 驱动电路原理图 4.5 IGBT 的驱动性能 5 保护电路的设计 6 MATLAB 仿真 6.1 MATLAB 简介 6.2 MATLAB 发展历程 6.3 主电路仿真 7 心
2、得体会 三参考文献 word 文档 可自由复制编辑 一 引言 高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。BUCK 变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。二 正文 1 降压斩波电路的设计目的(1)通过对降压斩波电路（buck chopper）的设计，掌握buck chopper 电路的工作原理，综合运用
3、所学知识，进行 buck chopper电路和系统设计的能力。(2)了解与熟悉 buck chopper 电路拓扑、控制方法。(3)理解和掌握 buck chopper 电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。(4)具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。2 降压斩波电路的设计内容及要求 1)设计内容:对 Buck Chopper 电路的主电路和控制电路进行设计，参数如下：直流电压 E200V，负载中 R10，L 值 word 文档 可自由复制编辑 极大,反电动式 E130V。2)设计要求(a)理论设计 了解掌握 Buck Chopper 电路的工作原
4、理，设计 Buck Chopper 电路的主电路和控制电路。包括：IGBT 电流,电压额定的选择 驱动,保护电路的设计 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 列出主电路所用元器件的明细表(b)仿真实验 利用 MATLAB 仿真软件对 Buck Chopper 电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验(c)实际制作 利用 PROTEL 软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计 PCB 印制电路板。最后完成系统电路的组装，调试。3 降压斩波电路主电路基本原理 降压斩波电路主电路原理图如图 1 所示 图 1 降压斩波电路主电路原理图 word 文档
5、可自由复制编辑 t=0 时刻驱动 V 导通，电源E向负载供电，负载电压0UE，负载电流0i按指数曲线上升。t=t1时控制 V关断，二极管 VD 续流，负载电压0U近似为零，负载电流0i呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图 2 所示，负载电压的平均值为：0onononoffttUEEEttT 图3 0I断续时的波形 t t t O O O 图2 0I连续时的波形 T E i G t on t off i o i 1 i 2 I 10 I 20 t 1 u o O O O t t t T E E i G i G t o
6、n t off i o t x i 1 i 2 I 20 t 1 t 2 u o E M word 文档 可自由复制编辑 式中，ont为 V 处于通态的时间，offt为 V 处于断态的时间；T 为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流的平均值为：00UIR 若负载中 L 值较小，则在 V 关断后，到了2t时刻，如图 3 所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压0U平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。4 IGBT 驱动电路 1)IGBT 的栅极驱动 （a）栅极驱动电路对 IGBT 的影响 正向驱动电压+V 增加时，IGBT 输出级晶体管的导
7、 通压降和开通损耗值将下降，但并不是说+V 值越高越 好。IGBT 在关断过程中，栅射极施加的反偏压有利于 IGBT 的快速关断。栅极驱动电路最好有对 IGBT 的完整 保护能力。为防止造成同一个系统多个 IGBT 中某个的 误导通，要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且 不要将多个 IGBT 的栅极驱动线捆扎在一起。（b）IGBT 栅极驱动电路应满足的条件 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。在 IGBT 导通后，栅极驱动电路提供给 IGBT 的驱动电 压和电流要具有足够的幅度。栅极驱动电路的输出 阻抗应尽可能地低。栅极驱动条件与 IGBT 的特性 word 文档 可自由复制编辑 密
8、切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。2）IGBT 驱动电路 IGBT 驱动电路主要有 3 种典型的电路 （a）阻尼滤波门极驱动电路 为了消除可能的振荡现象，IGBT 的栅射极间接上 RC 网 络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。（b）光耦合器门极驱动电路 驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源内 阻，同时加速 IGBT 的关断过程。（c）脉冲变压器直接驱动 IGBT 的电路 由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了 电源结构。在这里采用光耦合门极驱动电路，如图 4 所示 图 4 光耦合门极驱动电路 5 主电路的保护电路设计 wor
9、d 文档 可自由复制编辑 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 5 所示 图 5 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
10、为过电流。这里采用图6 所示的电路 图 6 过电流保护电路 word 文档 可自由复制编辑 3）IGBT 的保护 (a)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 12V24V 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
11、 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。(b)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 7所示 图 7 集射极电压状态识别保护电路 (c)短路保护 word 文档 可自由复制编辑 图 8 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 9 图 9 缓冲电路 word 文档 可自由复制编辑 6 MATLAB 仿真 1)按原理图在 MATLAB 中搭建模块，搭建好的模型
12、图如下 图 10 MATLAB 仿真图 2)按设计要求设定参数(a)直流电压 E200V，即将 DC Voltage Source 中的值设为200V，设定如图 11 所示 图 11 电压参数设定图 （b）电阻 R10,电感 L 的值极大，即将 R_load 和 L_load 分别设定为 10和 2mh，设定如图 12 所示 word 文档 可自由复制编辑 图 12 电阻电感设定图 (c)IGBT 的参数设定如图 13 所示 图 13 IGBT 的参数设定图 （d）示波器（scope）的参数设定如图 14 所示 word 文档 可自由复制编辑 图 14 示波器（scope）的参数设定图 3)调
13、试与结果分析 逐步改变其占空比进行调试，运行可得如下结果（E200V）（a）设定1%，得出输出电流0I，和电压0U及其波形如图 15 所示 图 15 1%时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑（b）设定20%，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 16 所示 图 16 20%时0I和0U波形 （c）设定40%，得出输出电流0I，和电压0U及其波形如图 17所示 图 17 40%时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑（d）设定60%，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 18 所示 图 18 60%时0I和0U波形 （e）设定80%，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图
14、 19 所示 图 19 80%时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑 （f）设定99%，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 20 所示 图 20 99%时0I和0U波形 当设定20%，逐不改变其 L，分别得出输出电流0I和电压0U及其波形。（a）设定 L=5h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 21 所示 图 21 L=5h 时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑（b）设定 L=3h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 22 所示 图 22 L=3h 时0I和0U波形 （c）设定 L=2h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 23 所示 图 23 L=2h
15、 时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑 （d）设定 L=1.5h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 24 所示 图 24 L=1.5h 时0I和0U波形 （e）设定 L=1h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 25 所示 图 25 L=1h 时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑（f）设定 L=0.5h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 26 所示 图 26 L=0.5h 时0I和0U波形 （g）设定 L=0.05h，得出输出电流0I和电压0U及其波形如图 27 所示 图 27 L=0.05h 时0I和0U波形 word 文档 可自由复制编辑 7 心得体
16、会 这次的课程设计是我收获比较大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但易灵芝老师的指导，问题被我基本上解决了。做课程设计比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的。但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要一定的耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们的指导以及平时灌输给我
17、们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计。三 参考文献【1】孙树朴等.电力电子技术（第一版）.徐州：中国矿业大学出版社.1999【2】邵丙衡.电力电子技术（第一版）.北京:铁道出版社.1997【3】王兆安、黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社.2008【4】张立.现代电力电子技术（第一版）.北京：科学出版社.1995 word 文档 可自由复制编辑【5】周明宝.电力电子技术（第一版）.北京：机械工业出版社.1997【6】叶斌.电力电子技术习题集（第一版）.北京：铁道出版社.1995【7】林渭勋.现代电力电子电路(第二版).杭州：浙江大学出版 社.2002 【8】赵良炳.现代电力电子技术基础(第一版).北京：清华大 出版社.1995