直流升降壓變換器設(shè)計(jì)與仿真

1、1 緒論電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。為自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)技能設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生是一個(gè)非常重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)能夠使學(xué)生鞏固、加深對(duì)變流電路基本理論的理解，提高學(xué)生運(yùn)用電路基本理論分析和處理實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。斬波電路(DC Chopper)的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流直流變換器( DC/DC Converter)。直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬

2、波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。應(yīng)用Multisim建立了電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)升降壓斬波BoostBuck電路進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。本文分析了升降壓斬波電路的工作原理，又用Multisim對(duì)升壓-降壓變換器進(jìn)行了仿真建模，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。 2直流升降壓斬波電路工作原理及輸入輸出關(guān)系2.1升降壓斬波電路工作原理圖2.1所示為升降壓斬波電路（Buck-Boost Chopper）原理圖及波形圖。電路中電感L值很大，電容C值也很大。因?yàn)橐沟秒姼须娏骱碗娙蓦妷夯緸楹阒?。a) 原理圖b) 波形圖圖2.1 升壓/降壓斬波電路的原

3、理圖及波形圖該電路的基本工作原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲(chǔ)存能量，此時(shí)電流為I1，方向如圖1所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流為I2，方向如圖1所示。可見，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為零。根據(jù)對(duì)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)間不變，稱為PWM。2、保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3、和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。（1）V通時(shí)，電源E經(jīng)

4、V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。（2）V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。2.2輸入輸出關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即：當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，；當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，；于是：所以輸出電壓為： 由此可見，改變導(dǎo)通占空比，就能夠控制斬波電路輸出電壓U。的大小。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓，故稱作升降壓斬波電路。圖（3）b)中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：

5、 由上式可得：如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時(shí)，則：其輸出功率和輸入功率相等，可將其看作直流變壓器。本電路中的主要功率器件必須是全控型。常見的全控型器件有：GTO,GTR,MOSFET,IGBT四種，與其他全控型器件相比，IGBT有開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用IGBT。IGBT的中文名稱是絕緣柵雙極晶體管，它是三端器件，具有柵極G，集電極C和發(fā)射極F，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖IGBT與MOSFET相比多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。其靜態(tài)特性如圖2.3所示。圖2.3

6、 IGBT靜態(tài)特性圖2.3控制電路設(shè)計(jì)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DCDC變換器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖2.4所示。圖2.4 控制實(shí)現(xiàn)框圖控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。產(chǎn)生PWM信號(hào)有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等。本設(shè)計(jì)采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片UG3525.該芯片的外圍電路只需簡(jiǎn)單的連接幾個(gè)電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個(gè)可調(diào)

7、電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示。圖2.5 UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4保護(hù)電路設(shè)計(jì)在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對(duì)全控型器件的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計(jì)好對(duì)全控型器件的保護(hù)方案。在設(shè)計(jì)對(duì)全控型器件的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對(duì)過電流保護(hù)和開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)。本設(shè)計(jì)中，將通過設(shè)計(jì)保護(hù)電路來對(duì)IGBT進(jìn)行過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)。2.4.1 IGBT的過流保護(hù)IGBT的過流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。對(duì)于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)

8、定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。降柵壓旨在檢測(cè)到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/d

9、t，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。 2.4.2 IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護(hù) 關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/s。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值

10、電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率3直流升降壓電路仿真實(shí)驗(yàn)3.1仿真實(shí)驗(yàn)物理仿真需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、連接及調(diào)試工作，其投資大、周期長(zhǎng)、靈活性差、改變參數(shù)難、模型難以重用，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也不方便。但是計(jì)算機(jī)仿真卻可以很好的解決這個(gè)問題。只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究，而且進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作也比較簡(jiǎn)單，主要是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計(jì)算機(jī)編程。專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的一款仿真軟件。它可以快速的仿真和便利的和用戶接觸，為電力電子，分析和數(shù)字控制和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究提供了強(qiáng)大的仿真環(huán)境。本設(shè)計(jì)的仿真模型圖如圖3.1所示。圖3.1仿

11、真模型圖仿真模型圖中V2是電壓源，提供24V的直流電壓。L為電感，D2為電力二極管，單項(xiàng)導(dǎo)通，阻止電流反向流動(dòng)，C2為電容，維持電阻R5端電壓恒定。R3為負(fù)載。電壓表XHM1 用來測(cè)量流經(jīng)R3的電壓。XSC1為示波器，用于觀察信號(hào)發(fā)生器輸出端的PWM波形和負(fù)載電阻兩端的電壓波形。在仿真過程中，我將取輸入的直流電壓為U=24，改變電阻R5控制脈沖電壓的占空比大小。當(dāng)占空比為=0.33，U=24V是，得到輸出直流電壓U=42V。圖3.2為負(fù)載電阻端電壓值圖3.2仿真結(jié)果圖3.3中黃色矩形脈沖函數(shù)發(fā)生器輸出端PWM波，藍(lán)色曲線為負(fù)載電阻端電壓。圖3.3仿真結(jié)果當(dāng)占空比為=0.84，U=24V是，得到

12、輸出直流電壓U=91.2V。圖3.4仿真結(jié)果圖3.5仿真結(jié)果如圖3.4為負(fù)載電阻端電壓值，圖3.5中黃色矩形脈沖為函數(shù)發(fā)生器輸出端PWM波，藍(lán)色曲線為負(fù)載電阻端電壓。當(dāng)占空比為=0.93，U=24V是，得到輸出直流電壓U=100.2V。圖3.6仿真結(jié)果圖3.7仿真結(jié)果如圖3.6為負(fù)載電阻端電壓值，圖3.7中黃色矩形脈沖為信號(hào)發(fā)生器PWM波，藍(lán)色曲線為負(fù)載電阻端電壓。觀察仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)電壓雖PWM占空比的改變而發(fā)生改變，當(dāng)占空為百分之九十三的時(shí)候負(fù)載電阻的端電壓達(dá)到了100v，由此可知，該電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)直流升壓。再次觀察負(fù)載電阻端電壓的波形，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)載電阻端電壓隨PWM占空比變化而發(fā)生響

13、應(yīng)的速度較慢，但其電壓脈動(dòng)較小，簡(jiǎn)單對(duì)比，電壓脈動(dòng)在百分之一以內(nèi)，因此，該電路設(shè)計(jì)可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。當(dāng)我們改變負(fù)載電阻阻值后，當(dāng)阻值越大，電壓的脈動(dòng)越明顯。3.2仿真結(jié)論通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論：直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對(duì)降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。總 結(jié)在本次課程設(shè)計(jì)中，我查閱了相關(guān)書籍、資料，首先對(duì)直流斬波電路有了大致的掌握，直流變換電

14、路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。進(jìn)一步復(fù)習(xí)了直流斬波電路的基本類型，包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路等，理解了其工作原理，熟悉其原理圖及工作時(shí)的波形圖，掌握了這幾種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點(diǎn)，并在理解的基礎(chǔ)上能對(duì)直流斬波電路進(jìn)行分析計(jì)算，加深了對(duì)直流斬波電路的掌握及應(yīng)用。通過這兩周的電力電子課程設(shè)計(jì)，不僅對(duì)MATLAB軟件有了進(jìn)一步的了解，對(duì)BUCK降壓電路也有的深入的認(rèn)識(shí)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(duì)電路的特點(diǎn)，優(yōu)缺點(diǎn)有了更加深刻的理解。最后，感謝老師的耐心指導(dǎo)和同組同學(xué)的大力支持，使我在本次設(shè)計(jì)中將遇到的問題都解決了，順利的完成了