直流斬波電路設(shè)計(jì)與仿真

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名: 學(xué) 號: 班 級: 指導(dǎo)老師: 專 業(yè): 設(shè)計(jì)時(shí)間:目錄.6一. 降壓斬波電路二. 直流斬波電路工作原理及輸出輸入關(guān)系12三. 控制實(shí)現(xiàn)19直流斬波電路的建真29結(jié)3031六.參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體地分析 了該DC/DC變換器的設(shè)計(jì)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲能電感參數(shù)設(shè)計(jì)），詳細(xì)地闡述 了該DC / DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)，最后給出了測試結(jié)果關(guān)鍵詞：DC/DC變換器，降壓斬波，升壓斬波，儲能電感，直流開關(guān)電源，PWM； 直流脈寬調(diào)速一. 降壓斬波電路1. 1降壓斬波原理：R式中為V處于通態(tài)的時(shí)間

2、；切為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；&為導(dǎo)通 占空比，簡稱占空比火導(dǎo)通比。根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間匚不變，稱為PWM。2）保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間匚不變，改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3）匚和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1. 2工作原理1）F0時(shí)刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源£句負(fù)載供電，負(fù)載電壓"。二E負(fù)載電流必按指數(shù)曲線上升2) F"時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓"0近似為 零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的 電感

3、Z值較大基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo) 由于厶為無窮大，故負(fù)載電流維持為To不變 電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為E/。咕在整個(gè)周期沖，負(fù)載消耗的能量為(R/OT+£W /0T)一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等t F tU=- = -E = aEG+G 丁._UqE、,輸岀功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器該電路使用一個(gè)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(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為在V關(guān)斷是給負(fù)載的電桿電流提供通道，設(shè)置了續(xù) 流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個(gè)拖動直流

4、電動機(jī)，也可以帶蓄電池負(fù)載， 兩種情況句會出現(xiàn)反電動勢。IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于 實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻 率，因而造成功率MOSFET具有RDS (on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET 的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了 RDS(on)特性，但是 在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè) 低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流 密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。

5、一個(gè)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)速的給定、檢測、反饋、平波電抗器、可控整 流器、放大器、直流電動機(jī)等環(huán)節(jié)組成。這些環(huán)節(jié)都是根據(jù)用戶要求首先被選擇而 確定下來的，從而構(gòu)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(chǎn)機(jī)械的全而要求的，特別是對系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，有時(shí)甚至是不穩(wěn)定的, 為了設(shè)計(jì)一個(gè)靜態(tài)，動態(tài)都適用的調(diào)速系統(tǒng)，尤其是達(dá)到動態(tài)性能的要求，還必須 對系統(tǒng)進(jìn)行校正。也就是在上述固有部分所組成的調(diào)速系統(tǒng)中另外加一個(gè)校正環(huán)節(jié), 使系統(tǒng)的動態(tài)性能也能達(dá)到指標(biāo)的要求。木文中的雙閉環(huán)可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)，采 用集成控制器SG3524產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，它的內(nèi)部包括誤差放大器，限流保

6、護(hù)環(huán)節(jié)，比較器，振蕩器，觸發(fā)器,輸出邏輯控制電路和輸岀三極管等環(huán)節(jié)，是一個(gè)典 型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器，輸出級是由I G B T構(gòu)成的功率控制器，進(jìn)而驅(qū)動 它勵(lì)直流電動機(jī)，達(dá)到速度控制的目的。由于電路有開關(guān)頻率高的特點(diǎn)，所以直流 脈寬調(diào)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(diào)速范圍寬，開關(guān)頻率高, 電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較少，調(diào)速裝置效率和電網(wǎng)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(qiáng)等等二. 直流斬波電路工作原理及輸出輸入關(guān)系2. 1升壓斬波電路(Boost Chopper)rV

7、DR升壓斬波電路假設(shè)L和C值很大。處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定人，電容C向負(fù)載R供電，輸出電 壓心恒定。斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為如，此階段L上積蓄的能量為碼匕設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為切，則此期間電感L釋放能量為（心_E）%穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期7中厶積蓄能量與釋放能量相等：Ei心廠（“0 E）人切化簡得 葉蟲也已丄E-升壓比；升壓比的倒數(shù)記作，即八二G'offB和Q的關(guān)系：曰+ 0 =1所以輸出電壓為三、控制實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用模擬控制方案和數(shù)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(shí)現(xiàn)，如圖3所示。圖3控制實(shí)

8、現(xiàn)框圖檢控制電路由兩級PI調(diào)節(jié)器、PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、故障測與保護(hù)電路 等組成。兩級PI調(diào)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(diào)節(jié) 器，前級是電壓調(diào)節(jié)器，后級是電流調(diào)節(jié)器，前后級串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控 制對象、輸岀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, 在輸入電壓或負(fù)載擾動作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時(shí)跟隨電壓環(huán)，從 而使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，也易于實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù)。由于電壓調(diào)節(jié)器 的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸 出電流。此外，電流調(diào)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

9、的非正常狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)的安全可靠。PWM波產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)兩種PWM開關(guān)方案 的實(shí)現(xiàn)，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(chǎn)生兩路 控制信號，因此必須配合主變換電路進(jìn)行特殊的電路設(shè)計(jì)，以解決控制邏輯的分配 問題。如圖3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到比較器IC、IC2同相端，由一個(gè)三角波發(fā)生 器產(chǎn)生的三角波送到反相端，兩路信號相比較疊加獲得PWM波。分析可知，兩種不同PWM開關(guān)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓低于5 V時(shí)，比較器IC與三角波有交點(diǎn)，輸岀PWM波，該波形用于驅(qū)動T，而比較器IC4與三角波沒有交點(diǎn)，故無

10、脈沖輸 出，T2截止；當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于5 V時(shí)，比較器IC4與三角波有交點(diǎn)，輸岀 PWM波，該波形用于驅(qū)動T ,而比較器IC輸出高電平，T 1處于全導(dǎo)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(jīng)驅(qū)動電路去驅(qū)動兩個(gè)開關(guān)管T1和T2。為了提高系統(tǒng)的可 靠性，還設(shè)計(jì)了故障檢測與保護(hù)電路，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。這 主要利用比較器對電流、電壓、溫度等的檢測值與設(shè)定的保護(hù)值比較，一旦發(fā)生超 限現(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動作。四. 直流斬波電路的建模與仿真4. 1仿真模型及參數(shù)設(shè)置(1)由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路

11、(Buck Chop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，并取 消緩沖電路，即Rs二5 QQ, Cs=0；電壓源參數(shù)取Us=200 V, E=80 V；負(fù)載參數(shù)取R二10 Q, L二5 mH。1圖2由IGBT紐成的Buck直流變換器仿真模型4. 2運(yùn)行結(jié)果> Scopef 開陽| Scwjlr Litcar/ Broker” urtitfed xIIBirncotfcr 0Scope« LS:40> Scopeirncotfcr 0開陽|袱MATIAB|嶷曲1兇|旨SirdiikLbrery Bhaww| J宜

12、op；描|尹琢1 寧 16:刊五. 課設(shè)體會與總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在老師的 辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，在老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識，在次 我表示感謝！同時(shí)，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝, 通過這兩周的電力電子課程設(shè)計(jì)，不僅對MATLAB軟件有了進(jìn)一步的了解，對BUCK 降壓電路也有的深入的認(rèn)識和理解。BUCK變換器電路在電力電子學(xué)習(xí)中就是非常重 要典型的電路，通過這次的課程設(shè)計(jì)仿，對電路的特點(diǎn)，優(yōu)缺點(diǎn)有了更加深刻的理 解。剛開始，對很多元件的選擇都不清楚，通過老師的知道和同學(xué)的幫助，學(xué)會了 如何更好的設(shè)計(jì)電路選擇正確的元器件。通過在實(shí)驗(yàn)室測得的波形和仿真的波形進(jìn) 行對比，雖然存在一些差異，但是基木上還是一致的。經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強(qiáng)大。平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透 徹理解的知識，通過動手，會有更好的認(rèn)知。木次課程設(shè)計(jì)雖然不長，但是它給我 們帶來了很多收獲。最后，感謝老師的耐心指導(dǎo)和同組同學(xué)的大力支持，使我在木次設(shè)計(jì)中將遇到 的問題都解決了，順利的完成了本次課程設(shè)計(jì)，并從中學(xué)習(xí)到了更多的知識。再次感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我?guī)妥〉娜耍x謝你們！六. 參考文獻(xiàn)1.王兆安