直流斩波电路的仿真分析与实现..

天津理工大学

自动化学院课程设计报告题目：直流斩波电路的仿真分析与实现

学生姓名学号

届2011级班级电气3班

指导教师杜明星专业电气工程及其自动化

说明

1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。

2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。

3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。

4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。

5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩（30%）组成。

课程设计评语及成绩汇总表

课程设计任务书、指导书

课程设计题目：直流斩波电路的仿真分析与实现Ⅰ.课程设计任务书

Ⅱ.课程设计指导书

1）掌握电力电子电路中元器件选择的计算方法，并针对技术参数要求，合理选择主电路元器件，并保证系统安全可靠运行；

2）根据电力电子课程中直流斩波器的原理及功率器件驱动的策略，依据直流斩波电路的工作任务，完成系统电路原理图的绘制；

3）在不同占空比的情况下，完成电路的仿真实验。通过对仿真实验结果的分析，使同学们更加熟练地掌握教材中斩波电路波形的产生原因；

4）通过改变负载的数值，得到相应的仿真波形，以实现对负载的全面认识。在何种情况下，阻感负载才能称作大电感负载；

5）熟悉MatLab/Simulink的编程环境，掌握利用该软件仿真电力电子电路的方法。

三、课程设计进度安排

起迄日期工作内容

2013.6.17-6.21 熟悉Buck电路与Boost电路的工作原理。2013.6.22-6.25 完成主电路元件的计算和选择。

2013.6.26-6.29 完成电路原理图的设计与绘制。

2013.6.30-7.3 完成Buck电路的仿真与调试。

2013.7.4-7.8 完成Boost电路的仿真与调试。

2013.7.9 答辩、上交设计说明书。

Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计

一、降压斩波电路设计

1.设计要求与方案

1.1设计要求

利用MOSFET设计一降压变流器。输入电压E42V，输出电压Ud12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f＝100Hz。负载电阻为10Ω电感2mH。

1.2设计方案

电力电子器件在实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及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路电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。

根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及保护电路其结构框图如图1-1所示。

在图1-1结构框图中控制电路用来产生MOSFET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MOSFET 控制端与公共端之间可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。

2 降压斩波主电路设计

2.1 电力MOSFET降压斩波主电路

在电力系统中直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。MOSFET 降压斩波电路的主电路图如下图2-1所示。该电路使用一个全控型器件—电力MOSFET，且为了给负载中的电感电流提供通道设置有续流二极管VD。电路通过在电力MOSFET管的控制端输入控制信号以得到所需要的输出电压，实现降压。

2.2 电路原理分析

直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t0时，MOSFET管被激励导通，电源E 向负载供电，负载电压为Ud=E，负载电流io按指数曲线上升；当t=t1时，控制MOSFET关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压Ud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使串联的电感L较大。电路工作时的波形图如图2-2所示

图2-2 电流续流时工作波形

一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均

值为

(1-1)

平均电流值为 （1-2） 式中T 为MOSFET 开关周期, Ton 为导通时间 α为占空比。

通过调节占空比α，使输出到负载的电压Ud 最大为E,若减小占空比,则Ud 随之减小。

根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式:

(1)保持开关周期T 不变,调节开关导通时间

on t ,称为脉冲宽度调制(PWM 调制)此种方式应用最多。

(2)保持开关导通时间

on t 不变,改变开关周期T ,称为频率调制。 (3) on t 和T 都可调，改变占空比称为混合型。

电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。

a) V 通态期间，设负载电流为1i ，可列出如下方程：

(1-3) 设此阶段电流初值为10I ，τ=L/R ，解上式得：

(1-4)

b) V 断态期间，设负载电流为2i ，可列出如下方程：

(1-5)

设此阶段电流初值为

20I ，解上式得：

(1-6)

R U d d I =E E Ri t

i L =++M 11d d ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--+=--ττt t e R E E e I i 1101M 0d d M 22=++E Ri t i L ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=--ττt t e R E e I i 1202M