電力電子課程設計報告--全橋直流變換器的設計與仿真

1、<p>　　電力電子技術課程設計</p><p>　　設計題目：全橋直流變換器的設計與仿真</p><p>　　年級專業(yè)：　2010級電氣工程與自動化　</p><p>　　學生姓名：　　　 　　　　　　　　</p><p>　　學　　號：　　　20104263　　　　　　</p><p>　　成績評定：　　

2、　　　　　　　　　　　</p><p>　　完成日期：2013年6月 23日</p><p>　　電力電子課程設計任務書</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電力電子課程設計的目的在于進一步鞏固和加深所學電力電子基本理論知識。使學生能綜合運用相關關課程的基本知識，通過本課程設計，培養(yǎng)學生獨立思考

3、能力，學會和認識查閱和占有技術資料的重要性，了解專業(yè)工程設計的特點、思路、以及具體的方法和步驟，掌握專業(yè)課程設計中的設計計算、軟件編制，硬件設計及整體調(diào)試。通過設計過程學習和管理，樹立正確的設計思想和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，以期達到提高學生設計能力。</p><p>　　本次課題為全橋直流變換器的設計與仿真，使用了全控器件IGBT，能將直流信號轉換成變壓的直流信號，其作用相當于一個變壓器。一般的變壓器是由交流電壓不過變比

4、能很方便的通過控制IGBT的驅動信號占空比來控制，而且能有濾波的功能。</p><p>　　全橋直流變換器集PWM技術和諧振技術于一體，具有體積小、重量輕、效率高的特點，特別適合中大功率應用場合，然后對其工作原理的分析。本次課程設計就是基于對全橋直流變換器的設計與仿真練習，達到培養(yǎng)學生獨立思考解決問題的能力。</p><p><b>　　正文</b></p>

5、;<p><b>　　1.引言</b></p><p><b>　　1.1問題的提出</b></p><p>　　隨著科學技術發(fā)展的日新日異，電力電子技術在現(xiàn)代社會生產(chǎn)中占據(jù)著非 常重要的地位，電力電子技術應用在是生活中可以說得是無處不在如果把計算 機控制比喻為人的大腦，電磁機械等動力機構喻為人的四肢的話，則電力電子 技

6、術則可喻為循環(huán)和消化系統(tǒng)，它是能力轉化和傳遞的渠道。因此作為二十一 世紀的電氣專業(yè)的學生而言掌握電力電子應用技術十分重要。全橋DC/DC變換 器是可雙象限運行的直流-直流變換器。隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展,對全橋DC/DC 變換器的需求逐漸增多,主要有直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動汽 車等應用場合。在需要能量雙向流動的場合,全橋DC/DC變換器的應用可大幅 度減輕系統(tǒng)的體積重量和成本,有重要的研究價值。</p

7、><p>　　1.1.1什么是直流-直流變換器的功能？</p><p>　　直流-直流變換器就是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電， 包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。</p><p>　　1.1.2直流-直流變換器有哪些應用？</p><p>　　直流-直流變換器廣泛應用于遠程及數(shù)據(jù)通信、計算機、辦公自動化 設備、 工業(yè)儀

8、器儀表、軍事、航天等領域。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　當今世界軟開關技術使得DC/DC變換器發(fā)生了質得變化和飛躍。美國 VICOR公司設計制造得多種ECI軟開關DC/DC變換器，最大輸出功率有300W、 600W、800W等，相應的功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（80—90） %。日本NemicLambda公司最新

9、推出得一種采用軟開關技術得高頻開關電源模 塊RM系列，其開關頻率為200—300KHz,功率密度已達27W/cm3，采用同步整 流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。直流斬波 電路的應用非常廣，但在實際產(chǎn)品中應用時也存在一些問題：首先電源系統(tǒng) 本身的耗能元件如電源內(nèi)阻、濾波器阻抗、連接導線及接觸電阻等都會引起 系統(tǒng)損耗。可控型器件IGBT的柵極電阻Rg會隨著驅動器件電流額定值的增

10、 大而減小，而柵極電阻Rg的變化又會對電路的性能產(chǎn)生影響。以及驅動電路 如何實現(xiàn)過電流電壓保護問題。</p><p><b>　　全橋電路的工作原理</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　全橋電路中的逆變電路由四個開關組成，互為對角的兩個開關同時導通， 而同一側半橋上下兩開關交替導通

11、，將直流電壓逆變成幅值為Ui的交流電 壓，加在變壓器一次測。改變開關的占空比，就可以改變整流電壓Ud的平均 值，也就改變了輸出電壓Uo。</p><p>　　當IGBT1和IGBT4開通后，二極管VD1、VD4處于通態(tài)，電感的電流逐漸上升；IGBT2與IGBT3開通后，二極管VD3和VD2處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當四個開關都關斷時，四個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降

12、。IGBT1和IGBT2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。</p><p>　　如果IGBT1、IGBT4與IGBT2、IGBT3的導通時間不對稱，則交流電壓中將含有直流分量，會在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和。因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生。也可以在一次側賄賂串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。</p><p>　　為了避免同一側半橋中上下兩開關在換流的過程中發(fā)生

13、短暫的同時導通現(xiàn)象而損壞開關，每隔開關各自的占空比不能超過0.5，并應保留裕量。</p><p>　　當濾波電感電流連續(xù)時，有</p><p>　　如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓將高于式（5-55）的計算值，并隨負載的減小而升高，在負載為零的極限情況下，</p><p>　　電路圖參數(shù)設計及仿真</p><p><b>　　3.1

14、開環(huán)電路</b></p><p>　　3.1.1開環(huán)電路圖設計</p><p>　　開環(huán)電路圖如下圖所示：</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　圖中各元件的參數(shù)設置說明如下。</p><p>　　VDC1：380V直流電壓源，根據(jù)設計要求；</p>

15、<p>　　VSQ1: 幅值1V，頻率100000HZ，占空比為0.33，相角延遲60度的矩形波脈沖發(fā)生器；</p><p>　　VSQ2: 幅值1V，頻率100000HZ，占空比為0.33，相角延遲240度的矩形波脈沖發(fā)生器；</p><p>　　TI1：按輸出電壓與輸入的比值Uo:Ui=0.33*(n1:n2)得一次測與二次側 線圈繞組匝數(shù)比為n1:n2=380：7

16、2.7；</p><p>　　L=0.00005H，此數(shù)值是經(jīng)過實驗得到的，能將超調(diào)量調(diào)到適當；</p><p>　　C=0.00005F，此數(shù)值是經(jīng)過實驗得到的，能保證輸出電壓的平穩(wěn)性；</p><p>　　R=2.304歐姆，由R=(U^2)/P求得；</p><p>　　其輸出電壓由Uo測得。</p><p>&

17、lt;b>　　仿真結果如下：</b></p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　結果分析：仿真結果基本滿足設計要求（輸出電壓48V，功率為1000w）</p><p>　　3.1.2 負載跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></

18、p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　電路圖4各參數(shù)說明: 與原電路圖2相比，負載增加了并聯(lián)電阻R’，阻值為1歐姆。與之串聯(lián)的IGBT的驅動電壓由延遲時間為0.003秒（此時原電路圖2已進入穩(wěn)態(tài)）的階躍信號提供。其輸出電壓波形如下。</p><p><b>　　圖5</b></p><p

19、>　　結果分析：可以看到在0.003s時，負載突變會給輸出造成較大的影響 波動。</p><p>　　3.1.3 電源跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　電路圖6各參數(shù)說明：與原電路圖2相比，電

20、源增加了一個幅值為100v， 延遲時間為0.003s的階躍信號，從而實現(xiàn)電源跳變。仿真結果如圖7。 </p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　結果分析：可以看到在0.003s時，由于電源的突變，電路輸出最后穩(wěn) 定在62v左右。輸出電壓幅值誤差已達（62-48）/48=0.29，已經(jīng)不符要求。</p><p>&l

21、t;b>　　3.2閉環(huán)電路</b></p><p>　　3.2.1閉環(huán)電路的設計</p><p>　　加入pi調(diào)節(jié)器可以有效的控制輸出的穩(wěn)定性。根據(jù)pi調(diào)節(jié)器的結構，結合本電路圖可知在pi調(diào)節(jié)器的輸出端應該接能控制開關的器件，即比較 器。比較器另一端接三角波信號。三角波峰峰值為1v，頻率為100000HZ，占空比0.5。Pi調(diào)節(jié)器的參數(shù)是經(jīng)過實驗的到的適當值，k=0.00

22、03，t=0.0001s。得到電路圖如下：</p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　仿真結果： </b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　結論：粗略來看，加入pi調(diào)節(jié)器的電路后，系統(tǒng)快速性很好，而且不會有超調(diào)量。&l

23、t;/p><p>　　3.2.2 負載跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　電路圖10各參數(shù)說明: 與原閉環(huán)電路圖8相比，負載增加了并聯(lián)電阻 R’，阻值為1歐姆。與之串聯(lián)的IGBT的驅動電壓由延遲時間為0

24、.003秒（此時原電路圖2已進入穩(wěn)態(tài)）的階躍信號提供。其輸出電壓波形如下。</p><p><b>　　圖11 </b></p><p>　　3.1.3 電源跳變時的仿真</p><p><b>　　仿真電路如下。</b></p><p><b>　　圖12</b></p

25、><p>　　電路圖12各參數(shù)說明：與原閉環(huán)電路圖8相比，電源增加了一個幅值為100v，延遲時間為0.003s的階躍信號，從而實現(xiàn)電源跳變。仿真結果如圖13。</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　結果分析：可以看到在0.003s時，由于電源的突變，電路輸出最后穩(wěn) 定在48v左右。輸出電壓幅值誤差為0，仍然符合要求

26、。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　自動控制系統(tǒng)是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī) 律或預定程序進行的控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化的主要手段。在 開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都 比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中，基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統(tǒng)；由順序控制裝置、檢測

27、元件、執(zhí)行機構和被控工業(yè)對象所組成。主要應用于機械、化工、物料裝卸運輸?shù)冗^程的控制以及機械手和生產(chǎn)自動線。閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統(tǒng)進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。工程上常常從穩(wěn)態(tài)性、快速性和穩(wěn)定精度三個方面來評估自控系統(tǒng)的性能。與開環(huán)系統(tǒng)相比較加入pi調(diào)節(jié)器的電路后，系統(tǒng)快速性很好，而且不會有超調(diào)量。當負載有跳變時，開環(huán)的新穩(wěn)定值大大的改變了，而閉環(huán)系統(tǒng)能經(jīng)過

28、自動調(diào)節(jié)，重新回到了要求值?？梢?，閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)越性更好。</p><p>　　兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知 識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向

29、社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎．</p><p>　　通過這次模具設計，本人在多方面都有所提高。通過這次模具設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行一次冷沖壓模具設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充

30、了冷沖壓模具設計等課程所學的內(nèi)容，掌握冷沖壓模具設計的方法和步驟，掌握冷沖壓模具設計的基本的模具技能懂得了怎樣分析零件的工藝性，怎樣確定工藝方案，了解了模具的基本結構，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。</p><p>　　在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計模具的能力以及綜合運用知識的能 力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中

31、發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。</p><p>　　在此感謝我們的xx老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是 我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。同時感謝對我?guī)椭^的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的友

32、誼。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 許大宇，阮新波，嚴仰光，對移相控制零電壓開關PWM全橋直流變換器的新型理論分析方法，電機與控制學報，2003，7(2)：112-117</p><p>　　[2] 鄭連清，朱軍，婁洪立，何立新，新型零電流轉換移相全橋DC/DC變換器，電力自動化設備，2008