直流斬波電路設計與仿真

1、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): 設計時間: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系12三. 控制實現(xiàn)19直流斬波電路的建真29結3031六.參考文獻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(xiàn)，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(shù)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(xiàn)，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，直流開關電源，PWM； 直流脈寬調速一. 降壓斬波電路1. 1降壓斬波原理：R式中為V處于通態(tài)的時間

2、；切為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(jù)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）保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間匚不變，稱為PWM。2）保持開關導通時間匚不變，改變開關周期T,稱為頻率調制或調頻型。3）匚和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。1. 2工作原理1）F0時刻驅動V導通，電源£句負載供電，負載電壓"。二E負載電流必按指數(shù)曲線上升2) F"時刻控制V關斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓"0近似為 零，負載電流呈指數(shù)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

3、Z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 由于厶為無窮大，故負載電流維持為To不變 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為E/。咕在整個周期沖，負載消耗的能量為(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

4、電動機，也可以帶蓄電池負載， 兩種情況句會出現(xiàn)反電動勢。IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于 實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS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。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。

5、一個晶閘管直流調速系統(tǒng)是由轉速的給定、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)機械的全而要求的，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。木文中的雙閉環(huán)可逆PWM調速系統(tǒng)，采 用集成控制器SG3524產(chǎn)生占空比可調的PWM波，它的內部包括誤差放大器，限流保

6、護環(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)，是一個典 型的性能優(yōu)良的開關電源控制器，輸出級是由I G B T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(wǎng)功率因素高, 系統(tǒng)的頻帶寬、快速性能好、動態(tài)抗擾能力強等等二. 直流斬波電路工作原理及輸出輸入關系2. 1升壓斬波電路(Boost Chopper)rV

7、DR升壓斬波電路假設L和C值很大。處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定人，電容C向負載R供電，輸出電 壓心恒定。斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。設V通態(tài)的時間為如，此階段L上積蓄的能量為碼匕設V斷態(tài)的時間為切，則此期間電感L釋放能量為（心_E）%穩(wěn)態(tài)時，一個周期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的關系：曰+ 0 =1所以輸出電壓為三、控制實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計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)的實現(xiàn)，如圖3所示。圖3控制實

8、現(xiàn)框圖檢控制電路由兩級PI調節(jié)器、PWM波產(chǎn)生電路、驅動電路、故障測與保護電路 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(xiàn)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

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)生電路負責兩種PWM開關方案 的實現(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(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(xiàn)。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，輸岀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

10、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，輸岀 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(jīng)驅動電路去驅動兩個開關管T1和T2。為了提高系統(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(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應的保護動作。四. 直流斬波電路的建模與仿真4. 1仿真模型及參數(shù)設置(1)由IGBT構成直流降壓斬波電路

11、(Buck Chop-per)的建模和參數(shù)設置圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，IGBT按默認參數(shù)設置，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運行結果> 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. 課設體會與總結這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在老師的 辛勤指導下，終于游逆而解。同時，在老師的身上我學得到很多實用的知識，在次 我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝, 通過這兩周的電力電子課程設計，不僅對MATLAB軟件有了進一步的了解，對BUCK 降壓電路也有的深入的認識和理解。BUCK變換器電路在電力電子學習中就是非常重 要典型的電路，通過這次的課程設計仿，對電路的特點，優(yōu)缺點有了更加深刻的理 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的幫助，學會了 如何更好的設計電路選擇正確的元器件。通過在實驗室測得的波形和仿真的波形進 行對比，雖然存在一些差異，但是基木上還是一致的。經(jīng)過這次的課程設計，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強大。平時在學習中不能夠透 徹理解的知識，通過動手，會有更好的認知。木次課程設計雖然不長，但是它給我 們帶來了很多收獲。最后，感謝老師的耐心指導和同組同學的大力支持，使我在木次設計中將遇到 的問題都解決了，順利的完成了本次課程設計，并從中學習到了更多的知識。再次感謝在本次設計中給予我?guī)妥〉娜?，謝謝你們！六. 參考文獻1.王兆安