2023年8月2日发(作者：)

电力电子技术

课程设计

一、 设计要求

1.根据给定指标，设计BOOST电路参数，根据公式计算两个电路中的电感、电容值，计算电路中功率器件的额定电流、电压，进行选型。

BOOST电路给定参数：

 INPUT VOLTAGE:80V

 OUTPUT VOLTAGE:91-128V

 DUTY:13.6-41%

 LOAD RESISTANT:1K

 SWITCH PERIOD: 2.2 ×10-5s

2.根据给定指标，设计CUK电路参数。根据公式计算两个电路中的电感、电容值，计算电路中功率器件的额定电流、电压，进行选型。

CUK电路给定参数

 INPUT VOLTAGE:80V

 OUTPUT VOLTAGE:50-105V

 DUTY:27-58.9%

 LOAD RESISTANT:1K

 SWITCH PERIOD: 2.2 ×10-5s

3.利用Simulink软件，对上述电路进行验证，验证电路参数是否正确。

4.在实验平台上，进行实验，观察重要参数，观察电路中主要波形，并记录（仿真、实验）。

5.撰写课程设计报告。

二、 设计原理及设计方案

1. 升压斩波电路（Boost Chopper）的基本原理

电路图

当可控开关IGBT处于通态时，时间为ton，电源向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压U0。为恒值，L上积累的能量为EI1ton。当IGBT处于断态时，时间为toff，E和L共同向电容C充电并向R提供能量，此期间电感L释放的能量为(U0E)I1toff。当电路工作处于稳态时，一个周期中电感L积蓄和释放的能量相等，即

EI1ton=(U0E)I1toff

化简得

U0

tontofftoffE1E

1

2. Cuk电路的基本原理

电路图

电路工作过程

1)、VT开通，有E---L1 ---开关V , C----开关V—R---L2 两回路 , 电感L1充电储能，电容C向负载放电、对L2充电，由于C上的电压作用，二极管VD关断。

2)、VT关断有E---L1 --- C ---VD , L2 ---VD---R 两回路 ，电感L1向电容C转移能量，电容C充电，电感 L2续流导致VD开通并向负载放电。

3、电容C1上电压高于输出电压和输入电压。

EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流。当IGBT处于通态时，当IGBT处于断态时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压的极性相反。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 T0iCdt0

IGBT通态时，时间为ton，电容电流和时间的乘积为I2ton。断态时间为toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。

与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

3 . Sepic 电路及Zeta 斩波电路

1) Sepic 电路

在Q1 导通时, Vi -----L1 -------Q1 和C---Q1 ------L2 两个回路导电, L1 ,

L2储能 ,输出电流由输出电容提供 ; Q1 关断时 , Ui---L1 ---C---D8 –负载R

和 L2 –D8 ---负载 R 两个回路导电 ; 输入电源电流连续, 输出电流断续,

在Q1导通时只能靠CO供电 , 输出电压与输入电压的关系 Uo = Ui .D

/(1-D) .

2) 元器件 选择

在Q1 关断时 , L2 流过的电流I2 给负载R供电 , 即I2 =Io= Vo/R, C 流过的电流 I 1( 等于1/2 电感 L 输入电流） 给 Co充电 , 由Co充放电流平衡 得 I1 (1-D) = Io .D

确定电容的规则: 输出滤波电容在最小输入电压时使得纹波电压大小为稳定值的5% ， 耦合电容充放电可彻底。

由 C . △Uc / dt = I2 △Uc /Uc = 5% UC取2 倍 Ui

得 C = Io .D / ( f . 2 Vi )

同理得 Co = I0 .D /( f . 0.05 Vo )

确定电感的规则: 在最小输入电压时使得纹波电流大小为稳定值的30 %

由 Ui_min .D / (f . L ) = △IL △IL/IL = 30%

IL = 2 Io .D//1-D)

得 L1 =L2 = Ui_min .（1-D ） / (f .2 Io .0.3 )

2) Zeta 电路

Zeta 电路 也称双Sepic 电路 , 其基本工作原理:

当Q1导通时 , Vi ----- Q1 ---L1 回路给让L1 储能, 同时Vi ---- Q1--- C –

L2 --- 负载 回路给负载供电, C0 充电 ; Q1 关断时 , L1 – D ---C1 震荡回路 使L1 的能量全部 转到 C , L2 ----负载 --- D 回路 给负载供电 ,

C0 放电 ; 输入电源电流是断续的, 输出电流连续, Q1 关断时, L2 和Co 给负载供电 , 输出电压与输入电压的关系Uo = Ui .D /(1-D) .

三、 参数计算

1. boost斩波电路计算公式

UdD

LfI1

计算过程：

CIoDfUoU0tontofftoffE1E=[1/(1-0.3)]*80=114.3V

1I0I1U0114.30.1143A

R100011I0*0.11430.1633A

10.7I10.15I10.0245A U00.08U09.144V

UdD80*0.3*2.2*105L0.0216H

fI10.0245I0D0.1143*0.3*2.2*105C8.25*108F

fU09.144IGBT:

I1ktb ,

T2.2105s ,

t1DT6.6106s

k0.260.2324242.4 ,

b0.232

66.610I1t12(ktb)dt0.269A

0T额定电流Iv(1.5~2)0.269/1.57A(0.257~0.343)A

额定电压Uv(2~3)127.4V(254.8~382.2)V

二极管：

I1(0.2620.7T0.1620.3T)0.235A

T额定电流IVD(1.5~2)0.235/1.57A(0.225~0.299)A

额定电压UVD(2~3)125.6V(251.2~376.8)V

2. Cuk斩波电路计算公式

L1=L2 = Ui .D /( f . △I )

C0 = Io .(1-D )/( f . △Uo )

I = Io .D /(1-D )

C = Ui .D /( 8. △Uo . L1`. f ∧2)

(C ,C 0 电容一定要选用高频低阻电容)

计算过程：

U0ton0.4EE*8053.33V

toff110.4I0I1U053.330.05333A

R10000.4I0*0.053330.03556A

10.6I10.15I10.005333A

U00.08U04.2664V

UdD80*0.4*2.2*105

L1L20.132HfI10.005333

IO(1D)0.05333*0.6*2.2*105

C11.65*107FfUO4.2664

52UdD80*0.4*(2.2*10)9

C23.438*108*4.2664*0.1328UOL1f2

IGBT:

I1ktb ,

T2.2105s ,

t1DT8.8106s

k0.1640.159568 ,

b0.159

68.8101t1I(ktb)2dt0.2528A

T0)A 额定电流Iv(1.5~2)0.2528/1.57A(0.2416~0.3077V(292~438)V 额定电压Uv(2~3)146二极管：

I1(0.1620.4T0.2220.6T)0.198A

T额定电流IVD(1.5~2)0.198/1.57A(0.189~0.252)A

额定电压UVD(2~3)137.5V(275~412.5)V

四、仿真电路设计

仿真电路

2．Cuk仿真电路

五、仿真电路波形

波形

全局图

细节图

波形

全局图

细节图

六、实验结果

1、实验内容

（1）测量输入电压和输出电压的范围

（2）用示波器交流档观察输出电压纹波

（3）用示波器测量相应电感、MOSFET管、功率二极管、PWM波形

（通过打印机打印波形）

（4）通过PWM波计算占空比和开关频率

（5）通过测得的波形BOOST画出功率二极管、Cuk画出输出电感的波形

（6）比较实测波形和仿真波形的差别分析原因

2、实验结果

（1）BOOST电路

输入电压：76.9V，输出电压：89.4-126.1V

60.3 占空比D20 频率f50KHz

注意点：电力二极管的电流不能直接通过示波器测得，IVDILIV，其中IL

为电感电流，IV为流过MOSFET的电流。

（2）Cuk电路

输入电压：80V，输出电压：49.2-101.0V

80.39 占空比D20.4 频率f49.02KHz

注意点：靠近负载侧的电感的电流不能直接通过示波器测得，IL2IVDIVIL1，其中IVD为流过电力二极管的电流，IV为流过MOSFET的电流，IL1为靠近电源侧的电感电流。

（3）比较分析

实测波形与仿真波形差别：1.在推导这两个电路的输出电压计算公式时 我们将电容假设为无穷大，即电容两端的电压几乎保持不变，但实际电容有个充放电过程；2.在推导这两个电路的计算公式和仿真时，我们将开关器件和二极管默认为理想器件，即导通压件为零，而实际电路中这两种器件总会产生一定的压降；3.器件的寄生电感和寄生电容会对电路波形产生一定的影响；4.示波器的探头干扰和外界干扰也会对电路波形产生一定的影响。