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通过buck和boost电路中研究电源滤波电容设计与实现.docx

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通过 BUCK BOOST 电路 研究 电源 滤波 电容 设计 实现
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学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗,在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名: 年 月 日导师签名: 年 月 日目 录摘 要 ..............................................................................................................................................IABSTRACT....................................................................................................................................II第 1 章 绪论 ...................................................................................................................................11.1 引言 ...................................................................................................................................11.2 课题研究意义 ...................................................................................................................11.3 国内外研究现状 ...............................................................................................................21.3.1 电容的定义 ............................................................................................................21.3.2 电容器的主要参数 ................................................................................................31.3.3 电容的分类及应用场合 ........................................................................................41.4 主要研究内容 ...................................................................................................................6第 2 章 整流滤波电容的建模仿真 ...............................................................................................72.1 电容建模与仿真 ...............................................................................................................72.1.1 电容模型 ................................................................................................................72.1.2MATLAB 仿真 .......................................................................................................82.2 单相不可控整流电路的滤波电容 .................................................................................102.2.1 单相不可控整流电路模型 ..................................................................................102.2.2MATLAB 仿真 .....................................................................................................12第 3 章 电源滤波电容的建模仿真 .............................................................................................153.1buck 电路电容滤波 .........................................................................................................153.2boost 电路电容滤波 .........................................................................................................163.3MATLAB 建模仿真 ........................................................................................................183.4 滤波电容的选择 .............................................................................................................223.5 储能电容 ........................................................................................................................233.5.1 储能电容在电路中维持时间的计算方法 ..........................................................23第 4 章 功率吸收电路电容的建模仿真 .....................................................................................254.1MOSFET 模型 .................................................................................................................254.2IGBT 模型 ........................................................................................................................264.3 吸收电路模型及电容选择 .............................................................................................27结束语 ...........................................................................................................................................30参考文献 .......................................................................................................................................32附录 ...............................................................................................................................................33致谢 ...............................................................................................................................................35I摘 要电容器是三大无源元件之一,在电子电器装置中几乎无处不在。电子电路中电容器有滤波、储能、旁路、去耦等功能,本文针对滤波和储能两个主要功能进行分析研究,从整流滤波电路、电源滤波电路、功率管吸收电路和储能四个方面对电容进行计算、选型和在 MATLAB 上仿真。第一部分是通过建立电容等效模型搭建基础,再通过单相不可控整流电路来研究整流滤波电容,接着在 buck 和 boost 电路中研究电源滤波电容给出储能电容的计算方法,最后通过功率管研究功率吸收电路中电容。关键词:电容;滤波;储能 ;MATLABIIABSTRACTCapacitor is one of the three passive components, almost everywhere in the electrical and electronic devices . Electronic circuit capacitor filtering, energy storage, bypass, decoupling, filter and energy storage, this paper research and analyze two major functions, from the rectifier filter circuit, power supply filter circuit, power tube absorbing circuit and energy storage capacitance on calculation, selection and simulation in MATLAB. Capacitance equivalent model of the first part is through the establishment of structures, foundation, again through the single-phase uncontrollable rectifier circuit to study the rectifier filter capacitance, then study in buck and the boost circuit in power supply filter capacitor energy storage capacitance calculation method is given, and finally through the study power tube power absorption circuit of capacitance. Keywords: capacitor;filtering;energy storage;power capacitors;MATLAB武汉理工大学毕业设计 (论文)1第 1 章 绪论1.1 引言电容器是由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件,而电容是指在给定电位差下的电荷储藏量。一般电子在电场力的作用下发生移动,当导体之间有了绝缘体作用阻碍了电子的移动时,电荷便在导体上积累形成能量存储。电容器在现代科学技术及工业领域中的应用十分广泛,种类很多根据工作时通过电流的强弱和施加电压的高低可分为电力电容器和电子电容器两大类 [9]。因电容是电子设备中大量使用的电子元件之一,所以广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。在传统电子线路中,电容用来通过交流而阻隔直流,也用来存储和释放电荷以充当滤波器,平滑输出脉动信号。小容量的电容,通常在高频电路中使用,而大电容在低频电路中使用。由于充电完成后电容器两极板存储了电荷,在极板两端形成电势,当回路闭合后电容放电将电能释放,由于电容只有在充放电时才有电流流过,所以有“隔直传交”的功能。1.2 课题研究意义尽管电容是很简单的元器件,其制作工艺也很简单日趋完善,但是它作为电力行业的基础起着很重要的作用。目前在不同领域对电容的性能指标要求越来越严格,越来越苛刻,这就要求我们在了解电容构造和功能的基础上向新的要求创新改进,在高压和大容量方面,争取容量更大,储能更多。在精细方面要做到电容越做越小缩小产品的体积。我国的电力电容器是从 1926 年开始工厂生产的,其特点是大功率高电压低频率,到80 年代已经能达到一千万乏每台,目前正朝着更高容量迈进。我国电力电容器制造业是在 20 世纪 50 年代开始发展起来的,当时采用的是苏联的设计和工艺,制造的是油浸纸介质电容器。1974 年,我国正式停止生产和使用 PCB 后,研究和发展新液体介质,目前主要采用 PXE 苄基甲苯和苯基乙苯基乙烷。80 年代我国一些电容器厂引进了国外高压电容器设计制造技术及关键设备,研究开发全膜介质电容器,90 年代末,全膜介质电容器进入批量生产阶段,目前,全膜介质电容器成为并联电容器的主流产品,制造技术正日趋成熟 [9]。电解电容器也有较久的历史,现在难点是电解电容器纸,在铝电解电容中它作为电解液的吸附载体,与电解液共同组成铝电解电容器的阴极,同时起到隔离两极箔的作用,它的好坏直接影响铝电解电容的品质。此外,电容在变频器中有重要作用,据中武汉理工大学毕业设计 (论文)2国低压电器行业市场、产品、标杆企业研究及投资预测报告等相关资料预测,在过去的几年内中国变频器的市场保持着 12%-15%的增长率,而且至少在未来的 5 年内保持着 10%以上的增长率,因此电容未来在变频方面有很多成长空间。在国外,德国宜开吉公司研发的 MKPg 充气式电容器具有体积小,安全防爆,工作时间长,击穿后自愈等功能。现在国内外都热门的是薄膜电容器,它体积小,无极性,绝缘阻抗很高,频率特性优异(频率响应宽广),而且介质损失很小,不同材质的薄膜有不同特性,运用在很多高新技术模块中。1.3 国内外研究现状电容是由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件,而电容是指在给定电位差下的电荷储藏量。作为电力方面的支柱,电容器一直起到重要的不可或缺的作用,本章主要介绍电容的基本参数以及分类和运用场合。1.3.1 电容的定义电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下的电荷储藏量,记为 C,国际单位是法拉(F ) 。电容器是用来存储电荷的电器,最简单的电容器由电介质和被他隔开的两个金属电极组成。对任意孤立的不受外界影响的导体来说,当导体带电时,导体所带的电量 Q 与相应的电位 U 的比值为 C,即C=Q/U (1.1)式中 C—电容,F ;Q—电荷,C;U—电压,V电容 C 与电容器电极的形状、大小及布置方式有关。平行板电容器是最常见的一种。当极板间距离与极板尺寸相比很小时,可忽略其边缘效应,极板间电场可视为均匀电场。平行板电容 C 和相应的电极有效面积 S 成正比,与极板间距离成反比,电容计算式为C=(εoεrS)/d (1.2)式中 C—平行板电容器的电容,F;εo—真空电容率, ε o=8.854×10‒12𝐹/𝑚εr—相对电容率,无量纲;S—平行板面积, ;𝑚2d—电极间距离,m。从物理学上讲,它是一种静态电荷存储介质,可能电荷会永久存在,这是它的特征,武汉理工大学毕业设计 (论文)3它的用途较广,它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。电容器用于电路中实现旁路、去藕、滤波和储能等,电子电路中运用较多的还是滤波和储能作用。1.3.2 电容器的主要参数①额定电压与介质强度电容器两端可以持续施加电压,额定电压低于电容器中介质的击穿电压,制作工艺不同,击穿电压与电容器的额定电压差值也不尽相同。如氧化铝戒指的电解电容一般击穿电压为额定电压的 1.1-1.3 倍;其他介质通常为 1.75-2 倍以上;抑制电源电磁干扰的电容器需要更高比值来确保电气安全。②电容量电容器的电容量由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。通常交流电容量随频率、电压以及测量方法的不同而不同,不同规格的电容器变化程度不一样,一般电容器的电容量随频率的变化低于电容量的容差精度。在交流电的作用下,电容器与电源交换能量的能力用电容器的容量或无功功率 Qc 表示(1.3)𝑄𝑐=2𝜋𝑓𝐶𝑈2③容量误差电容器在制造过程中不能保证每个电容器的电容量都与设计的一样,总有一些偏差,即电容器的容量偏差(tolerance) 。电容器的容量误差以百分数表示,J 级:-5—+5% ;K级:-10 —+10%;M 级: -20—+20%;S 级:-50— +50%;Z 级:-80—+80% 。④等效串联电阻(ESR )电容器电极到引出端的电阻,一般箔式的比金属的 ESR 小,双金属化的电容器比加重金属化小,多引出线的 ESR 比单引出线的小,平面电极板的 ESR 比粗糙电极板的小。⑤温度系数及工作温度温度系数是电容量随温度变化的程度,有的介质的介电系数随温度上升而变大,大多数是这一类,通常其变化范围小于容差范围;而有的介质随温度上升而变小,如聚丙烯;有的介质在不同的温度范围有不同的变化,如二类陶瓷电容器。任何介质的电容器都有工作温度范围,过高的温度会使介质的物理特性发生改变而不早满足电容器使用要求,有些会永久损坏。⑥损耗角的正切值 tanδ损耗角的正切值:电容器在电场作用下消耗的能量,通常用损耗功率和电容器的无功功率之比,即损耗角的正切值表示(在电容器的等效电路中,串联等效电阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比称之为 Tan δ,这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然,Tan δ 随着武汉理工大学毕业设计 (论文)4测量频率的增加而变大,随测量温度的下降而增大) 。损耗角越大,电容器的损耗越大,损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数 dissipationfactor(DF)存在於所有电容器中,有时 DF 值会以损失角 tanδ 表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。 DF 值是高还是低,就同一品牌、同一系列的电容器来说,与温度、容量、电压、频率等等都有关系;当容量相同时,耐压愈高的 DF 值就愈低。此外温度愈高 DF 值愈高,频率愈高 DF 值也会愈高。1.3.3 电容的分类及应用场合①按照结构分三大类:固定电容器、 可变电容器和微调电容器;②按介质分:空气介质电容器、云母电容器、纸介质电容器、有机膜介质电容器、陶瓷电容器、电解质电容器、双电层电容器(超级电容器) ;③按电解质分类有:有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等;④按用途分有:高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器;电容器的基本作用就是充电与放电,但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象,使得电容器有着种种不同的用途,例如:在电动马达中,用它来产生相移;在照相闪光灯中,用它来产生高能量的瞬间放电等等。耦合电容:用在耦合电路中的电容称为耦合电容,在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路,起隔直流通交流作用。滤波电容:用在滤波电路中的电容器称为滤波电容,在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路,滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。高频消振电容:用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容,在音频负反馈放大器中,为了消振可能出现的高频自激,采用这种电容电路,以消除放大器可能出现的高频啸叫。旁路电容:用在旁路电路中的电容器称为旁路电容,电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号,可以使用旁路电容电路,根据所去掉信号频率不同,有全频域(所有交流信号)旁路电容电路和高频旁路电容电路。补偿电容:用在补偿电路中的电容器称为补偿电容,在卡座的低音补偿电路中,使用这种低频补偿电容电路,以提升放音信号中的低频信号,此外,还有高频补偿电容电路。负载电容:是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。负载电容常用的标准值有 16pF、20pF 、30pF、50pF 和100pF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整,通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。启动电容:串接在单相电动机的副绕组上,为电动机提供启动移相交流电压,在电动机正常运转后与副绕组断开。运转电容:与单相电动机的副绕组串联,为武汉理工大学毕业设计 (论文)5电动机副绕组提供移相交流电流。在电动机正常运行时,与副绕组保持串接。表 1.1 部分电容特点及应用场合电容器名称 代号 电容量大小 额定电压 主要特点 应用场合聚酯(涤纶)电容CL 40p--4μ 63--630V 小体积,大容量,耐热耐湿,稳定性差对稳定性和损耗要求不高的低频电路聚苯乙烯电容CB 10p--1μ 100V--30KV稳定,低损耗,体积较大对稳定性和损耗要求较高的电路聚丙烯电容 CBB 1000p--10μ 63--2000V 性能与聚苯相似但体积小,稳定性略差代替大部分聚苯或云母电容,用于要求较高的电路云母电容 CY 10p--0.1μ 100V--7kV价格较高,但精度、温度特性、耐热性、寿命等均较好高频振荡,脉冲等对可靠性和稳定性较高的电子装置高频瓷介电容CC 1--6800p 63--500V 高频损耗小,稳定性好高频电路低频瓷介电容CT 10p--4.7μ 50V--100V体积小,价廉,损耗大,稳定性差要求不高的低频电路玻璃釉电容 CI 10p--0.1μ 63--400V 稳定性较好,损耗小,耐高温(200 度)脉冲、耦合、旁路等电路铝电解电容 CD 0.47--10000μ6.3--450V 体积小,容量大,损耗大,漏电大,有极性,安装时要注意电源滤波,低频耦合,去耦,旁路等钽电解电容 CA 0.1--1000μ 6.3--125V 损耗、漏电小于铝电解电容在要求高的电路中代替铝电解电
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