降压斩波电路课程设计.docx

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1、电气控制系统设计课程设计报告成绩级船电1912号201921024060学院轮机工程学院班姓名王家鹏学指导老师崔博文2023年1月7日目录O引言和绪论11设计的目的及要求11.1 设计要求11.2 方案确定12电路原理23具体计算和选择过程31.1 主电路参数计算31.2 元器件的选择41.3 控制电路的设计54 仿真研究的内容和步骤54 .1仿真研究的内容55 .2仿真研究的步骤55 心得体会66参考文献7O引言和绪论直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降

2、压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路，直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型器件MoSFET大规模运用在电子开关，可控整流，多级放大器的输入级的阻抗变换，恒流源等领域。直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用

3、，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。1设计的目的及要求1.1设计要求在规定时间内通过分析任务书、查阅相关资料，充分发挥主动性与创造性，在老师的指导下联系实际、掌握正确的分析方法，独立完成课程设计，撰写设计计算说明书。根据题目任务要求设计电路原理图，并计算电路中所用元器件的参数，确定其规格型号;课程设计说明书要求整洁、完备、内容正确、概念清楚、文字通畅。要求绘制完整的主电路原理图和控制电路原理图，给出完整的电路设计过程。课程设计报告要求以设计说明书的方式来完成，主要叙述对题目的认识和理解，阐明电路功能分析、实现方案及其形成过程，给出参数设计和仿真结果及分析，特别是有新意的地方要充分论述。

4、设计报告应包括以下主要内容：(1)题目及其功能要求分析；(2)具体设计方案及其说明；(3)主电路参数和控制电路设计及其工作原理介绍；(4)主电路的仿真结果分析、仿真中出现问题的分析和解决方法；(5)控制电路及电力电子系统硬件实现框架；(6)课程设计的心得体会。1.2方案确定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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路

5、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。2电路原理直流降压斩波主电路使用一个全控器件MOSFET管控制导通。用控制电路和驱动电路来控制MOSFET管的通断，当t=0时，驱动MOSFET管导通，电源E向负载供电，负载电压Uo=E,负载电流i。按指数曲线上升。固降压电路波形图如图所示：零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联1值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动MOSFET管导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等根据参考文献1可得负载电压的平均值U。，U0=-2n-E=E(2-1)0ton+tof

6、fT(tn为V处于导通的时间;tff为V处于关断时间；a为导通占空比。)根据参考文献1可得负载电流平均值Io,Io=唾(2-2)R0UO为负载电压，Em为反电动势，若负载中无反电动势时令Em=O即可，Ro为电阻3为MOSFET管处于通态的时间;1f为处于断态的时间;T为开关周期;a为导通占空比。通过调节占空比a使输出到负载的电压平均值Uo最大为E,若减小占空比a,则U。随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui若减小占空比a,则U。随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。3具体计算和选择过程题目：降压斩波电路设计（王家鹏）输入直流电压90V；开关频率20KH

7、z;输出电压60V；最大输出电流IOA（额定负载下）具有过流保护功能，动作电流11A；具有稳压功能。3.1 主电路参数计算根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路,可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比,从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路。3.1.1 占空比计算根据参考文献2可得占空比，D=0.67（3-1）Vi90v3.1.2 buck电路电感计算：根据参考文献2可得电感1c,1C此2=）=510-5H（3-2）2fsIomjn220KHz10A要使电路工作在CCM状态，应取1f1c=5IO-5H,电感保留一定裕量，取1f=0.01H3.1.3 b

8、uck电路电容的计算（考虑最低输出电压，取电流波纹系数为20%）根据参考文献2可得滤波电容Cf,(3-3)(3-4)Cf=V。(_Vo=60V(_丝、=31XIO-6Ft81ffV0V1780.01H20KHz0.0290V/,3.1.4 1.4buck电路电阻的计算：根据参考文献1可得电阻RR=合黑=61.2 元器件的选择3. 2.1开关管的选择开关管导通时，负载电流和滤波电容的充电电流都流过开关管，因此开关管集电极的额定电流必须大于负载电流，若负载电流为I。，根据参考文献2可得最大集电极电流为，ITmaX=I。+MTof11OAx1.6510-s=10.45A(3-5)Z1fZ0.01开关

9、管截止时，续流二极管导通,输人电压全部加在开关管的集、射极两端，因此开关管的耐压必须人于输人电压V,考虑开关瞬间滤波电感产生的浪涌电压,开关管的耐压应大于或等于输人电压的1.5倍:Vr1.5Vi,即VT1.590V=135V综上所述，耐压135V,耐流10.45A,所选MOSFET型号为东芝IRF96134. 2.2续流二极管的选择续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流，即大于负载电流，续流二极管的耐压必须大于输入电压M，即：In=Imax=10.45A且VDVi=90V(3-6)综上所述，选择续流二极管型号为英飞凌BYV79-100-200的续流二极管接入电路。1.3 控制电

10、路的设计控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断,通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2 .保持导通时间不变，改变开关周期T,成为频率调制或调频型。3 .导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。本次仿真采用PwM控制方式来控制MOSFET管的通断。PW控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。4仿真研究的内容和步骤4.1仿真研究的内容MAT1AB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

11、言和交互式环境，主要包括MAT1AB和Simu1ink两大部分。SimU1ink是MAT1AB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境Simu1ink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simu1ink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simu1inkoMAT1AB的优势如下:(1)友好的工作平台和编程环境；(2)简单易用的程序语言；(3)强大的科学计算机数据处理能力；(4)出色的图形处理功能；(5)应用广泛的模块集合工具箱；(6)实用的程序接口和发布

12、平台；(7)应用软件开发(包括用户界面)。4.2仿真研究的步骤(1)建立一个空白模型：点击新建SiInUIinkmode1,然后在点击B1ankInOde1新建空白模型；(2)提最电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击出模型库浏览器，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。组成直流降压斩波电路的元器件有直流电源、MOSFET、逻辑元件、电阻、电容、电感、二极管、示波器等；(3)将电路元器件模块按直流降压斩波的原理图连接起来组成仿真电路。如图所示:图4.1仿真电路图(4)仿真波形结果与分析图4.2输出电压波形图4.3输出电流波形图4.4开关管电压波形如图所示SCOPe1和SCoPe2结果都显示

13、趋于稳定，证明此电路具有良好的稳压功5心得体会感谢老师和同学的指导，本次仿真历时两周，获益良多，但buck变换器只是最简单最基本呢的六大变换器之一，且目前已经很少使用纯模拟电路来搭建控制系统，多数采用单片机或计算机控制，本次课设相当于初步认识MAT1AB,日后的学习中，将进一步了解MAT1AB强大的仿真功能，MAT1AB不单单可以用于电力电子技术仿真，甚至可以用于P1C和单片机的仿真，此次总结相当于一次小论文的书写，也让我了解到了学术论文排版设计，内容叙述的严谨型此次仿真课设也让我学到了不少知识，尤其是对我打开了MAT1AB中Si1nUIink的大门，让我知道了仿真软件的巨大优势，能低成本，高

14、效率的搭建一个仿真控制系统，为实际控制系统中提早发现问题。此次仿真遇到的困难主要有以下几点：(1)由于不精通单片机，本次仿真未能采用单片机设计PWM脉冲信号发生器；(2)不同库中的器件无法在一个电路上连接，专业英语的知识匮乏，再Si1nUIink中搜索正确器件名称耽搁太长时间，导致器件的错误使用，进度太慢；(3)初次绘制电路图时，不注重器件摆放位置，连接线路交叉太多，杂乱无章，仿真电路容易运行出错；(4)报告排版设计问题较多，未标注参考文献，引用公式出处未标注，部分段落格式错误较多，没有进行详细的参数计算，未能正确的选择器件等。6参考文献1 .王兆安，刘进军主编电力电子技术，机械工业出版社2 .钟炎平主编，电力电子电路设计，华中科技大学出版社