降壓斬波變換技術的應用——DC／DC變換器的設計與實現

1、電力電子課程設計2004級電力電子技術課程設計報告姓 名：學 號：班 級：指導老師：專業(yè)：電氣工程與自動化設計時間:3UoI。保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間ton不變，稱為PWM 保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T,稱為頻率調制或調頻型。降壓斬波變換技術的應用-D C/ D C變換器的設計與實現摘要：介紹了一種新穎的具有升降壓功能的 DC/ DC變換器的設計與實現，具體地分析了該 DC /DC變換器的設計(拓撲結構、工作模式和儲能電感參數設計)，詳細地闡述了該DC/ DC變換器控 制系統(tǒng)的原理和實現，最后給出了測試結果關鍵詞：DC/ DC變換器，降壓斬波，升壓斬波，儲能電感，直流

2、開關電源，PWM直流脈寬調速降壓斬波原理圖:tonEton toffU 0 Em R式中ton為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比，簡稱占空比火導通比。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：1)2)M3)工作原理?t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升?t=t1時刻控制V關斷，負載電流經二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L 值較大基于 分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析從能量傳遞關系出發(fā)進行的推導由于L為無窮大

3、，故負載電流維持為I o不變 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為Eloton 在整個周期T中，負載消耗的能量為(RIoT+Em loT)一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等UotonEtontoffton eIoU o Emr輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器該電路使用一個全控器件V,途中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置晶閘管 關斷的輔助電路。為在V關斷是給負載的電桿電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個拖動直流電動機，也可以帶蓄電池負載，兩種情況句會出現反電動勢。在具有升降壓功能的非隔離式DC/DC變換器中，Buc

4、k-Boost變換器和Cuk變換器是負極性輸 出，Sepic變換器和Zeta變換器是正極性輸出，但這兩個變換器結構復雜，都需要兩個儲能電感， 這必然導致變換器的損耗增加、效率變低，且體積和質量大，弓I。本文針對實際研究項目中提出的要求，摒棄采用上述各種變換器，設計了一種新 穎的具有升降壓功能和正極性輸出的 D C/D C變換器，并采用該DC/DC變換器研制出達到技術指 標要求的直流開關電源，獲得了良好的應用價值。直流系統(tǒng)調速是由功率晶閘管、移相控制電路、轉速電流雙閉環(huán)調速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過流保護電路，通常指人為地或自動地改變直流電動機的轉速，以滿足 電力電子課程設計工作

5、機械的要求。機械特性上通過改變電動機的參數或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特 性，從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點，使電動機的穩(wěn)定運轉速度發(fā)生變化。PWMI制技術是一中廣泛應用于控制領域的技術，其原理是利用沖量相等而形狀相通的窄脈沖 加在具有慣性的環(huán)節(jié)時候，效果基本相通。在電力拖動系統(tǒng)中，調節(jié)電樞電壓的直流調速是應用 最廣泛的一種調速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調直流電壓外，還可利用其它電力電子元 件的可控性能，采用脈寬調制技術，直接將恒定的直流電壓調制成極性可變，大小可調的直流電 壓，用以實現直流電動機電樞兩端電壓的平滑調節(jié)，構成直流脈寬調速系統(tǒng)，隨著電力電子器件 的迅

6、速發(fā)展，采用門極可關斷晶體管 GTQ全控電力晶體管GTR P-MOSFE、絕緣柵晶體管IGBT) 等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調寬型開關放大器(Pulse Width Modulated ),已逐步發(fā)展成熟，用途越來越廣。調速通常通過給定環(huán)節(jié)，中間放大環(huán)節(jié)，校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實現。電動機 的轉速不能自動校正與給定轉速的偏差的調速系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。這種調速系統(tǒng)的電動機的 轉速要受到負載波動及電源電壓波動等外界擾動的影響。電動機的轉速能自動的校正與給定轉速 的偏差，不受負載及電網電壓波動等外界擾動的影響，使電動機的轉速始終與給定轉速保持一致 的調速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

7、這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)。IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率 MOSFE的自然進化。由于實現一個較高 的擊穿電壓BVDS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFE具有RDS(on數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFE的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了 RDS( on特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低 VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支 持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。一個晶閘管直流調速系統(tǒng)是由轉速的給定

8、、檢測、反饋、平波電抗器、可控整流器、放大器、 直流電動機等環(huán)節(jié)組成。這些環(huán)節(jié)都是根據用戶要求首先被選擇而確定下來的，從而構成了系統(tǒng) 的固有部分。僅有這些固有部分所組成的系統(tǒng)是難以滿足生產機械的全面要求的，特別是對系統(tǒng) 動態(tài)性能的要求，有時甚至是不穩(wěn)定的，為了設計一個靜態(tài)，動態(tài)都適用的調速系統(tǒng)，尤其是達 到動態(tài)性能的要求，還必須對系統(tǒng)進行校正。也就是在上述固有部分所組成的調速系統(tǒng)中另外加 一個校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的動態(tài)性能也能達到指標的要求。本文中的雙閉環(huán)可逆PWM調速系統(tǒng)， 采用集成控制器SG352鏟生占空比可調的PW波，它的內部包括誤差放大器，限流保護環(huán)節(jié),比較 器,振蕩器,觸發(fā)器,輸出邏輯控

9、制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)，是一個典型的性能優(yōu)良的開關電源控 制器，輸出級是由IGET構成的功率控制器，進而驅動它勵直流電動機，達到速度控制的目的。 由于電路有開關頻率高的特點，所以直流脈寬調速系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比，在許多方面具有較大的優(yōu)越性，例如主電路線路簡單，需用的功率元件少，低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調速范圍寬， 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較少，調速裝置效率和電網功率因素高， 系統(tǒng)的頻帶寬、快速性能好、動態(tài)抗擾能力強等等1. D c / D C變換器的設計 變換器拓撲結構圖I所示是設計新穎的D(yDC變換器的拓撲結構。該DC/DC變換器為前后級串聯(lián)結構，前級是 由

10、T1、T3、D1 D、I、C、R1、R構成降壓變換電路，后級是由T、D、丨、C構成升壓變換電 路，其中Dz、I、C均出現在前、后級變換電路中。13圉1新穎的DC/DC變換器的原理圏從圖1中可以看出，采用PWM方式控制兩個主開關管T。、Tz存在一定的困難，因為它們的控制端不共地。為了實現兩路控制信號共地，也只能選用功率晶體管。為此，在圖1所示的主變換電路中增加了輔助開關管T1,且T。由NP型改為PNP型，顯然T。、T是共地的，T、T3是同步開關的，這就實現了兩路控制信號的共地。這樣， 原本通過控制T。、T。來控制電路的工作狀態(tài)，現在是通過 T、T來控制，T。稱為降壓斬波輔助 開關，T。稱為升壓斬

11、波主開關、T。稱為降壓斬波主開關。工作模式的分析假設所用電力電子器件理想、電感和電容均為無損耗的理想儲能元件以及不計線路阻抗，且變換器始終處于電流連續(xù)的狀態(tài)。該 DC/ DC變換器有兩種典型的工作模式一一降 壓工作模式和升壓工作模式，下面分別來分析這兩種工作模式。1. 2. 1降壓工作模式當T截止,T以PWM方式工作，變換器處于降壓工作模式。此時，變換器與Buck變換器相比僅僅是多了一個二極管Dz，而這一個二極管的加入對Buck變換器的工作無任何影響。因此，處于降壓工作模式的變換器等效于Buck變換器, 相應的電壓變換關系為:Ui(1)式中：Ui輸入電壓；Uo輸出電壓；T的占空比升壓工作模式當

12、T全導通，T以PWM方式工作，變換器處于升壓工作模式。此時，變換器與Boost變換器相.比多了一個全導通的開關管T。和一個二極管D ,而這兩個器件的加入對Boost變換器的工作無任何影響。因此，處于升壓工作模式的變換器等效于Boost變換器，相應的電壓變換關系為:(2)Uo 1U1"式中：Ui輸入電壓；Uo輸出電壓；-T2的占空比。由此可見，該D C/D C變換器是將Buck和Boost兩個變換器串聯(lián)起來，通過對兩個 開關管T、To的配合控制獲得降壓工作模式和升壓工作模式， 從而實現升降壓功能和正極性輸出。 在理想情況下，變換器的電壓變換關系為：UoUi當處于降壓工作模式當處于升壓工

13、作模式Uo 1U r儲能電感參數的設計由圖1的拓撲結構可知，該DC/DC變換器只有一個儲能元件一一 儲能電感L,所以L必須能適 應降壓和升壓兩種不同的工作模式，以使變換器無論處于哪一種工作模式，L都能存儲足夠的能量，從而在以PWM方式工作的斬波開關截止時能提供給負載連續(xù)的電流。因此，L是該DC/DC變換器的關鍵元件，其參數的選取直接影響到變換器能否正常工作。考慮最典型的情況，假設輸入電壓的 變化范圍為Umin U max，且當U i =U max時，變換器處于降壓工作模式；當U i =U min時，變換器處于升壓工作模式。所以，根據公式（1） Umax，UO,可以得到T1的最小占空比min ；

14、根據公式（2）、 U min和Uo，可以得到To的最大占空比max。由于min， max分別代表了 L在兩種工作模式下的極端工作狀態(tài)，因此可以通過分別計算這兩個工作狀態(tài)下的電感量，并取其中的大者作為L的設計參數，則L就能同時滿足兩種工作模式的要求，。具體設計步驟如下：（1）當處于極端降壓工作狀態(tài)：（一min ，=O）時，電感量I的計算公式：(2)當處于極端升壓工作狀態(tài) 3= 1/工 必J時，電感量12的計算公式半h =j 丁, Uo - <1 一“ T)<5)(3)取爪仿中的大者作為L的設計電感量I = max(/i T Z2)(6)式中:L 儲能電感電流允許的波動峰一峰值芋T開關

15、周期。2. 1 D C / D C變換器控制系統(tǒng)的原理和實現控制原理圖2所示是該DC/ DC變換器控制系統(tǒng)的控制原理框圖4,其應用背景是衛(wèi)星儲能/姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用電壓、電流 雙閉環(huán)串級控制結構，外環(huán)是電壓環(huán)，內環(huán)是電流環(huán)?？刂圃硎请妷航o定U與電壓反饋U進行比較，得到的電壓誤差經電壓調節(jié)器輸出作為電流給定，r與電流反饋I進行比較，得到的電流誤差經電流調節(jié)器輸出對應PWM波的脈沖寬度，然后經PWM空制決定分配給哪個開關管，之后 PW波通 過驅動電路驅動DC/DC變換器中相應的開關管工作BB2控制燎理罐圈以上的雙閉環(huán)控制是針對工作在PWM方式下的開關管而言。由于變換器采用的是

16、兩個開關管 的配合控制，兩種不同的工作模式就對應兩種不同的PW開關方案，因此必須設計相應的控制邏輯 分配單元來實現這兩種開關方案，這在圖 2中以PWM空制單元表示。2. 2控制實現控制系統(tǒng)的設計可以采用模擬控制方案和數字控制方案，這里以模擬控制方案闡述該DC/ DC變換器控制系統(tǒng)的實現，如圖3所示?？刂齐娐酚蓛杉塒I調節(jié)器、PWM波產生電路、驅動電路、故障檢測與保護電路等組成。兩級 PI調節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級均為帶限幅輸出的PI調節(jié)器，前級是電壓調節(jié)器，后級是電流調節(jié)器，前后級串聯(lián)構成了以輸出電壓為主控制對象、輸出電流為副控制對象的雙閉環(huán) 控制系統(tǒng)。電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓，在

17、輸入電壓或負載擾動作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動態(tài) 響應快，調節(jié)性能好，也易于實現限流和過流保護。由于電壓調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給 定，故電壓調節(jié)器的限幅值決定了電流調節(jié)器的最大輸出電流。此外，電流調節(jié)器的限幅值限制了最大輸出電壓，防止了輸出電壓過高的非正常狀態(tài)， 從而保證了系統(tǒng)的安全可靠。PW波產生電路負責兩種PW開關方案的實現，以滿足變換器降壓工作模式和升壓工作模式的要求。由于需要產生兩路控制信號，因此必須配合主變換電路進行特殊的電路設計，以解決控制邏輯的分配問題。如圖3所示，電流調節(jié)器輸出送到比較器IC、IC2同相端，由一個三角波發(fā)生器產生的三角波送到

18、反相端，兩路信號相比較疊加獲得 PWM波。分析可知，兩種不同的PWMT關方 案可以通過對送到比較器IC、IC4反相端的三角波加上不同的偏移電壓 和 來實現。當電流調節(jié) 器輸出電壓低于5 V時，比較器IC與三角波有交點，輸出PWM波，該波形用于驅動T，而比較器IC4與三角波沒有交點，故無脈沖輸出，T2截止； 當電流調節(jié)器輸出電壓高于5 V時，比較器IC4與三角波有交點，輸出PWM波，該波形用于驅動T， 而比較器IC輸出高電平，T 1處于全導通狀態(tài)；而且，降壓工作模式和升壓工作模式的切換是平滑過渡的。這樣，就得到了邏輯上合乎要求的兩路控制信 號，然后再經驅動電路去驅動兩個開關管 T1和T2。為了提

19、高系統(tǒng)的可靠性，還設計了故障檢測與 保護電路，包括過流保護、過壓保護、過熱保護等。這主要利用比較器對電流、電壓、溫度等的 檢測值與設定的保護值比較，一旦發(fā)生超限現象，立即產生相應的保護動作。3 .測試結果根據上述控制原理和實現方案，研制出采用該 D(y DC變換器作為主變換電路的直流開關電源 (主要設計條件與要求：輸入電壓1240 V輸出電壓28 V、額定功率200 W及效率85 %等)。 該直流開關電源主要指標的測試結果如下：(1)輸入電壓允許范圍：在輸入電壓為1040 V的范圍內，輸出電壓保持穩(wěn)定； 輸出電壓：在50%負載條件下，平均輸出電壓為28. 01 V,輸出電壓穩(wěn)定度w O. 04

20、 ;(3) 電壓調整率：在各種負載條件下，電源電壓調整率wO. 18 ;(4) 負載調整率：以50%負載為基準，負載電壓調整率w O. 14 ;(5) 輸出電壓紋波：當負載電流為3. 6 A時，輸出電壓紋波峰一峰值(Up-p) =250 mV如圖 4(a)；(7) 效率：采用電阻性負載時，測試效率為87 %;(8) 動態(tài)響應：系統(tǒng)對輸入電壓和負載的突變能及時快速地響應，圖4(b)所示為負載突變時的動態(tài)響應波形。測試結果表明，該直流開關電源具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性，各項主要技術指標達到或超過衛(wèi)星儲能/姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)研 制項目所規(guī)定的指標要求。4 結論這里對一種新穎的DC/DC變換器的設計和實現進行了論述，采用該 DC/DC變換器作為主變換 電路的直流開關電源具有以下特點：(1) 變換電路拓撲結構簡單，具有明確的工作模式，易于實現模擬或數字控制。(2) 采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度和良好的動態(tài)性能。(3) 具有升降壓功能，正極性輸出，源效應好，能適應大范圍的輸入電壓變化。(4) 僅有一個儲能電感，具有可靠性高、效率高、體積小及質量輕等特點。(5) 功率容量500 W以下，尤其適合