电力电子课程设计定稿版

电力电子课程设计

HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

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_____

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Cuk 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1 Cuk 主电路图

基本工作原理为：

当控制开关VT 处于通态时，E —L 1—V 回路和R —L 2—C —V 回路分别流过电流。

当控制开关VT 处于断态 时，E —L 1—C —VD 回路和R —L 2—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t on ，则电容电流和时间的乘积为I 2t on 。开关S 合向A 点的时间为V 处于断态的时间t off ，则电容电流和时间的乘积为I 1 t off 。由此可得

off

1on 2t I t I

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u A =-u c 。当V 截止时，即开关S 合到A 点时，u B =u c ,u A=0，B 点电压u B 平均值为U B=toff.U c/T

又因电感L 1的电压平均值为零，所以E =U B=toff.U c/T 。电感L 2的电压平均值为零，A 点的电压平均值为U a =-t on .U c /T

可得出输出电压U o 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2 Cuk 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。

αα-=

-==1on on on off 12t t T t t I I E E t T t E t t U α

α-=-==

1on on off on o

输出电压U0=Ton*E/Toff=α*E/(1-α)=0.4×100/(1-0.4)=66.67V。

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

图4 Ton期间脉冲为12V，Toff期间脉冲为-1V。输入电压波形

图5

输出电压波形

图6 输出电压=100*0.4/0.6=66.67V

输入电流波形

图7 输入电流I1=α*I2/（1-α）=4.45A

图8

输出电流波形

10.0A

5.0A

0A

0s10ms20ms30ms40ms50ms -I(R1)

Time

图9 输出电流I2=U0/R=66.7/10=6.67A

IGBT和二极管的两端电压

200V

0V

-200V

30.100ms30.200ms30.300ms30.396ms

V(L1:2)V(L2:1)

Time

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）

图11

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12

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