基于并聯(lián)開關(guān)電源的功率比例分配研究畢業(yè)論文

1、I / 31摘要摘要直流穩(wěn)壓電源主要分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源相比普通的線形穩(wěn)壓電源，具有非常多的優(yōu)點。它的開關(guān)管以開關(guān)方式工作，功耗小，效率高，穩(wěn)壓圍寬，安全可靠，對電網(wǎng)電壓與頻率的變化適應(yīng)性強，能夠提供不同數(shù)值的輸出電壓。本文主要研究使用兩塊開關(guān)電源模塊并聯(lián)形成的供電系統(tǒng)，輸出電壓穩(wěn)定在 8V，電流比例可調(diào)節(jié)。利用 MATLAB 的 Simulink 環(huán)境，搭建降壓結(jié)構(gòu) DC/DC轉(zhuǎn)換器的仿真電路，采用電流分配法，用調(diào)節(jié)電源模塊的輸出，來實現(xiàn)并聯(lián)模塊之間的電流分配。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：開關(guān)電源并聯(lián)；電流分配；MATLAB II / 31AbstractAbstractDc

2、 voltage stabilizer are divided into linear voltage stabilizer and a switching power supply two kinds. A switching power supply compared to common linear manostat, has very many advantages. Its switch tube to switch work way, little power consumption, high efficiency, wide range of voltage, safe and

3、 reliable, and to power voltage and frequency changes adaptability is strong, can provide different values of the output voltage. This paper mainly studies using two pieces of switch power supply module in parallel form of power supply system, the output voltage stability in 8V, current ratio can be

4、 adjusted. Use of MATLAB Simulink environment, set up step-down structure DC/DC converter circuit of the simulation, the current distribution method, adjust the power module with output, to realize the current distribution of parallel between modulesKeywords:Keywords:Switchpowersupplyparallel;Curren

5、tdistribution;MATLABI / 31畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） ，是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定

6、，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：目錄1 1 緒論緒論 1 11.1 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向 1II / 311.2 題目分析 31.3 設(shè)計任務(wù)與指標(biāo) 32 2 并聯(lián)特性與電流分配方法并聯(lián)特性與電流分配方法 5 52.1 并聯(lián)特性 52.2 電流分配方法 62.2.1 下垂法 62.2.2 有源電流分配法 72.2.3 最大電流法 92.2.4 平均電流分配法 92.2.

7、5 主從電流分配法 103 3 降壓斬波電路降壓斬波電路 11113.1 降壓斬波電路的概念 113.2 降壓斬波電路的特點 113.3 降壓斬波電路的原理 113.3.1 PWM 控制信號 113.3.2 降壓主電路 123.3.3 降壓反饋回路 134 4 軟件仿真設(shè)計軟件仿真設(shè)計 15154.1 軟件介紹 154.1.1 Matlab 仿真軟件介紹 154.1.2 Simulink 仿真環(huán)境介紹 154.1.3 simulink 電路仿真環(huán)境使用方法 164.2 仿真電路的搭建 174.3 電路參數(shù)的選擇 184.3.1 PWM 信號的參數(shù)選擇 184.3.2 主電路各器件的參數(shù)選擇 1

8、85 5 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 21215.1 降壓調(diào)試 215.2 電流比例 1:1 調(diào)試 215.3 電流比例 1:2 調(diào)試 235.4 調(diào)試注意事項 24結(jié)結(jié) 論論 2525致致 2626參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 27271 / 311 1 緒論緒論大量電子設(shè)備，特別是計算機、通訊、空間站等的廣泛應(yīng)用，要求組建一個大容量、安全可靠、不間斷供電的電源系統(tǒng)。如果采用單臺電源供電、該變換器勢必處理巨大的功率、電應(yīng)力大，給功率器件的選擇、開關(guān)頻率和功率密度的提高帶來困難。并且一旦單臺電源發(fā)生故障，則導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。采用多個電源模塊并聯(lián)運行，來提供大功率輸出是電源技術(shù)發(fā)展的一個方向。并聯(lián)系統(tǒng)中每個模塊處理較

9、小功率，解決了上述單臺電源遇到的問題。八十年代起，分布式電源供電方式成為電力電子學(xué)新的研究熱點。相對于傳統(tǒng)的集中式供電，分布式電源利用多個中、小功率的電源模塊并聯(lián)來組建積木式的大功率電源系統(tǒng)。在空間上各模塊接近負(fù)載，供電質(zhì)量高，通過改變并聯(lián)模塊的數(shù)量來滿足不同功率的負(fù)載，設(shè)計靈活，每個模塊承受較小電應(yīng)力，開關(guān)頻率可以達(dá)到兆赫級，從而提高了系統(tǒng)的功率密度。大功率輸出和分布式電源，使電源模塊并聯(lián)技術(shù)得以迅速發(fā)展。然而一般情況下不允許模塊輸出間直接進(jìn)行并聯(lián)，必須采用均流技術(shù)以確保每個模塊分擔(dān)相等的負(fù)載電流，否則，并聯(lián)的模塊有的輕載運行，有的重載甚至過載運行，輸出電壓低的模塊不但不為負(fù)載供電，反而成了

10、輸出電壓高的模塊的負(fù)載，熱應(yīng)力分配不均，極易損壞。對于多個模塊并聯(lián)運行電源系統(tǒng)的基本要：一是輸入電壓或者負(fù)載發(fā)生變化時，保持輸出電壓穩(wěn)定;二是控制各模塊的輸出電流，實現(xiàn)負(fù)載電流平均分配，均流動態(tài)響應(yīng)良好。為提高系統(tǒng)可靠性，并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特性：實現(xiàn)冗余。當(dāng)任意模塊發(fā)生故障時，其余模塊繼續(xù)提供足夠電能，整個電源系統(tǒng)不會崩潰;實現(xiàn)熱拔插，電源系統(tǒng)真正意義上的不間斷供電。1.11.1 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)入 21 世紀(jì)，開關(guān)電源技術(shù)將有更大的發(fā)展，主要集中在以下幾個方面a.a.高性能碳化硅功率半導(dǎo)體器件高性能碳化硅功率半導(dǎo)體器件可以預(yù)見，碳化硅將是 21 世紀(jì)最有可能成功應(yīng)

11、用的新型功率半導(dǎo)體器件材料，碳化硅的優(yōu)點就是：禁帶寬，工作溫度高，通態(tài)電阻小，導(dǎo)熱性能好，漏電流極小，PN 結(jié)耐壓高等等。b.b.高頻磁技術(shù)高頻磁技術(shù)2 / 31高頻開關(guān)電源中用了多種磁原件，有許多基本問題需要研究，如磁芯損耗的數(shù)學(xué)建模，磁滯回線仿真建模，高頻變壓器一維和二維仿真模型等。此外，高頻磁原件的設(shè)計決定了高頻開關(guān)電源的性能，損耗分布和波形，因此，人們希望給出設(shè)計推測、方法、磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路性能的依賴關(guān)系，明確設(shè)計的自由度與約術(shù)條件等，同時，人們將研究損耗更小，散熱性能更好，磁性能更優(yōu)越的高頻磁性材料。高頻磁技術(shù)材料的研究還包括磁電混合集成技術(shù)，即將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成

12、在硅片上，或者將硅材料集成在鐵氧體上。c.c.新型電容器新型電容器研究開發(fā)適用于功率電源系統(tǒng)用的新型電容器和超大電容。要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。20 世紀(jì) 90 年代末，美國已經(jīng)開發(fā)出 330uF新型固體鉭電容，其 ESR 顯著下降。d.d.功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正 AC-DCAC-DC 開關(guān)變換技術(shù)開關(guān)變換技術(shù)開關(guān)電源輸入側(cè)有整流器、電容平波電路，使其輸入電流呈尖脈沖狀，諧波分量很高，一半功率因數(shù)僅有 0.65 左右。對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的諧波污染；同時對其他設(shè)備有很大的干擾，引起儀器儀表和保護(hù)裝置的誤測量、誤動作。開關(guān)電源的高次諧波抑制，與功率因數(shù)的提高主要采用無源功率因

13、數(shù)校正技術(shù)（PFC）有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC）和簡化電路方式等方法。e.e.高頻開關(guān)電源的電磁兼容研究高頻開關(guān)電源的電磁兼容研究高頻開關(guān)電源的電磁兼容問題通常涉與到開關(guān)過程產(chǎn)生的 di/dt,du/dt,它引起強大的傳導(dǎo)性電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會引起強電磁場輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾，還可能危機附近操作人員的安全。同時，開關(guān)電源部的控制電路也必須能承受主電路與工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的電磁噪聲的干擾，顯然，在電磁兼容領(lǐng)域，有許多前沿課題有待研究，如典型電路與系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾建模；印制板電路和開關(guān)電源 EMC 優(yōu)化設(shè)計軟件；大功率開關(guān)電源 EMC 測量

14、方法的研究。f.f.開關(guān)電源的設(shè)計、測量技術(shù)開關(guān)電源的設(shè)計、測量技術(shù)建模、仿真和 CAD 是一種新的、方便且節(jié)省的設(shè)計工具。為了仿真開關(guān)電源，首先要進(jìn)行建模。仿真模型中應(yīng)包括電力電子器件，變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以與磁原件和磁場分布模型，電路分布參數(shù)模型等，還要考慮開3 / 31關(guān)管的熱模型，可靠性模型和 EMC 模型。開關(guān)電源的 CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計、器件選擇、參數(shù)優(yōu)化、磁設(shè)計、熱設(shè)計 EMI 設(shè)計和印制電路板設(shè)計、可靠性預(yù)估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計等。此外，開關(guān)電源的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展。g.g.開關(guān)電源的開數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的

15、速度和效益日益提高開關(guān)電源的開數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效益日益提高 低電壓、大電流的開關(guān)電源的開數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效益日益提高，新一代處理器的邏輯電壓抵達(dá) 1.1 到 1.8V，而電流達(dá) 50 到 100A，其提供電源低電壓、大電流輸出 DC-DC 變換器模塊將會成為開關(guān)電源新的研究方向之一。1.21.2 題目分析題目分析開關(guān)電源電路是電力電子電路的一種，被廣泛應(yīng)用在小功率與各種電子設(shè)備領(lǐng)域，顧名思義，開關(guān)電源就是電力電子器件在看管狀態(tài)的電源 ，對于DC/DC 電路，可以變換的對象主要是電壓和電流。在這道題中，要求使用兩塊開關(guān)電源模塊并聯(lián)形成的供電系統(tǒng)，輸出電壓穩(wěn)定在 8V，電流比例可調(diào)節(jié)。這道

16、題的難點就在與實際操作中開關(guān)電源不能同時控制輸出電壓和電流，但既要輸出穩(wěn)定電壓，又要電流呈一定比例。利用 MATLAB 仿真技術(shù)搭建電路，掌握PWM 波產(chǎn)生原理與其占空比的調(diào)節(jié)方法，降壓斬波電路的原理與搭建，輸出電壓反饋的調(diào)節(jié)，并利用 MATLAB 的 Simulink 環(huán)境，搭建降壓結(jié)構(gòu) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的仿真電路，采用電流分配法，用調(diào)節(jié)電源模塊的輸出，來實現(xiàn)并聯(lián)模塊之間的電流分配。建立其線性模型，得到由控制到輸出的傳遞函數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行補償，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。并進(jìn)行仿真分析，調(diào)整電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)和仿真參數(shù)。1.31.3 設(shè)計任務(wù)與指標(biāo)設(shè)計任務(wù)與指標(biāo)設(shè)計一個有兩個額定輸出功率為 16

17、W 的 8V DC/DC 模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)，如圖 1.1 所示。圖 1.1 兩個 DC/DC 模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)主電路示意圖4 / 31a.a.調(diào)整負(fù)載電阻值額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓V。4 . 00 . 8Uob.b.額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電形同效率不低于 60%。c.c.調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓V,是兩個模塊輸出電流之比4 . 00 . 8Uo為 1:1 和 1:2。5 / 312 2 并聯(lián)特性與電流分配并聯(lián)特性與電流分配方法方法2.12.1 并聯(lián)特性并聯(lián)特性圖 2.1 為兩個模塊并聯(lián)工作時的等效電路與其外特性曲線。如果兩個模塊的參數(shù)完全一樣，即，兩條外特性曲線

18、重合，負(fù)載電流均max2max1VV21RR 勻分配。如果其中一個模塊的電壓參考值較高，輸出電阻較小（外特性斜率?。?，如圖 1 中的模塊 1，則該模塊將承受大部分負(fù)載電流，負(fù)載增大，模塊 1 將運行于滿載或超載限流狀態(tài)，影響了系統(tǒng)可靠性。（a）并聯(lián)等效電路（b）輸出外特性圖 2.1 兩個模塊并聯(lián)均流原理圖可見，并聯(lián)電源系統(tǒng)中各模塊按照外特性曲線分配負(fù)載電流，外特性的差異是電流難以分配的根源.正常情況下，各并聯(lián)模塊輸出電阻是個恒值，輸出電流不均衡主要是由于各模塊輸出電壓不相等引起。電流分配的實質(zhì)即是通過均流控制電路，調(diào)整各模塊的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流，以達(dá)到電流分配的目的。一般開關(guān)電源是一

19、個電壓型控制的閉環(huán)系統(tǒng)，電流分配的基本思想是采樣各自輸出電流信號，并把該信號引入控制環(huán)路中，來參與調(diào)整輸出電壓。選擇不同的電流信號注入點，可以直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓、反饋電壓誤差、或者反饋電流誤差，形成多種電流分配方案，以滿足不同的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)響應(yīng)。2.22.2 電流分配方法電流分配方法 根據(jù)并聯(lián)電源系統(tǒng)中模塊之間有無傳遞電流分配信號的互連線，所有電流分配方法可歸成兩大類：下垂法和有源電流分配法，下垂法為模塊之間只有輸出端導(dǎo)線相連;有源電流分配法除了連接輸出導(dǎo)線外，還用電流母線把各模塊連在一起。2.2.12.2.1 下垂法下垂法下垂法（又叫斜率法，輸出阻抗法）是最簡單的一種電流分配方法。其實質(zhì)

20、是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達(dá)到電流分配。由圖 2.1（b）可見，下垂法的電流6 / 31精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率與各模塊外特性的差異程度。選擇不同的電流反饋信號注入點，可以修正控制環(huán)路的反饋電壓值或基準(zhǔn)電壓。圖 2.2（a）為采用調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓來改變電壓參考值的方式下所對應(yīng)的外特性曲線圖?？梢婋妷簠⒖贾档牟町愒叫?，均流效果越好。圖 2.2（b）為采用調(diào)節(jié)反饋電壓值來改變斜率的方式下所對應(yīng)的外特性曲線圖。外特性斜率越陡，電流分配效果越好。 圖 2.2（a）調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓圖 2.2（b）調(diào)節(jié)反饋電壓常用的下垂法

21、均流控制框圖如圖 2.3 所示。為電流放大器輸出信號，與iV模塊輸出電流成比例，為電壓反饋信號，顯然 ，當(dāng)iKfV00IKVKViV某模塊電流增加時，上升，下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，iVeV即外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而其他模塊電流增大，實現(xiàn)電流分配。電壓誤差放大器 E/A 具有很大的直流增益，假設(shè)時0K0K， ，改變電壓環(huán)和電流環(huán)的比例參數(shù)可ViOOOrefOKKIViKIKVVV/max以獲取期望的外特性。 圖 2.3 下垂法電流分配控制框圖此外，在模塊輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一定的電阻值也是一種調(diào)節(jié)輸出電阻的下垂法。缺點為串聯(lián)電阻會消耗額外電能。較為經(jīng)濟(jì)的辦法是串

22、聯(lián)熱敏電阻，其阻值隨在電阻上消耗的熱能變化而改變，同樣達(dá)到電流分配。而且，電流不連續(xù)模式下的 Buck、Boost、Buck-Boost 變換器和串聯(lián)諧振變換器本身就固有一定的外特性下垂率，這類變換器可以直接并聯(lián)運行，實現(xiàn)自然均流。下垂法的特點可歸納如下：模塊之間無互連通訊線;實為開環(huán)控制，小電流時電流分配差，隨著負(fù)載增加電流分配效果有所改善;對穩(wěn)壓源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調(diào)整率為代價來獲取電流分配，該法可以應(yīng)用在電流分配精度大于或等于 10%的場合;對于不同額定功率的并聯(lián)模塊，7 / 31難以實現(xiàn)電流分配。2.2.2.22.2 有源電流分配法有源電流分配法有源電流

23、分配法是電流分配方法中的一大類別，其特征是采用互連通訊線連接所有的并聯(lián)模塊，用于提供共同的電流參考信號。一般并聯(lián)變換器采用電流型控制，即電流環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制，以下把功率級和電流環(huán)作為變換器的基本單元。在基本單元外設(shè)計控制結(jié)構(gòu)和母線連接方式，形成各類有源電流分配法，如主從法、平均電流法、最大電流法等?？刂平Y(jié)構(gòu)指均流環(huán)與電壓環(huán)如何配置，圖 2.4 為有源電流分配法的三種控制結(jié)構(gòu)：電壓環(huán)環(huán)外調(diào)整、環(huán)調(diào)整和雙環(huán)調(diào)整。環(huán)外調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)外部疊加（圖 2.4a） ，電流母線帶寬低，對噪音不敏感，但由于受到低帶寬電壓環(huán)限制，電流分配控制反應(yīng)比較緩慢;環(huán)調(diào)整中電流分配環(huán)從電壓環(huán)疊加（圖2.4b） ，

24、電流分配環(huán)可以很好的和電流環(huán)結(jié)合起來，整個結(jié)構(gòu)簡單，電流分配信號從環(huán)注入，其帶寬不受電壓環(huán)的限制，反應(yīng)速度快，電流母線的電壓從電壓調(diào)整放大器獲得，但容易引起噪聲;雙環(huán)調(diào)整中電流分配環(huán)和電壓環(huán)并行一起作用于基本單元（圖 2.4c） 。(c)雙環(huán)調(diào)整8 / 31圖 2.4 三種控制結(jié)構(gòu) 電流母線連接方式指如何從所有的模塊中獲取公共電流參考信號，表明了模塊間的主從關(guān)系。圖 2.5 顯示了三種電流母線的連接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（圖 2.5a）中，各個模塊和母線之間通過二極管連接，只有具備最大電流的模塊對應(yīng)的二極管才能導(dǎo)通，電流母線上代表的是最大電流信號;平均配置（圖 2.5b）中，

25、各個模塊和母線之間通過參數(shù)完全一致的電阻連接，電流母線上代表的是平均電流;指定配置（圖 2.5c）中，只有人為指定的模塊直接連接電流母線,成為主模塊。圖 2.5 三種電流母線連接方式2.2.2.2.3 3 最大電流法最大電流法圖 2.6 所示為最大電流法控制框圖，對比圖 2.4、圖 2.5 可見最大電流分配技術(shù)由環(huán)外調(diào)整和母線自主配置相結(jié)合而成，不改變模塊基本單元的部結(jié)構(gòu)，只需在電壓環(huán)外面疊加一個電流環(huán)，各模塊間接一條電流線 CSB。圖 2.6 最大電流法 因為二極管單向性，只有電流最大的模塊才能與電流母線相連，該模塊即為主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與電流線之間電壓的差異，通過誤差放

26、大器輸出來補償基準(zhǔn)電壓達(dá)到電流分配。 特點是：（1）這種電流分配方法一次只有一個單元參與調(diào)節(jié)工作，主模塊永遠(yuǎn)存在且是隨機的，為實現(xiàn)冗余最常用的方法;（2）二極管總存在正向壓降，因此主模塊的電流分配會有誤差;（3）電流分配是一個從模塊電流上升并超過主模塊電流的過程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。 Unitrode IC 公司開發(fā)的均流控制芯片 UC3902、UC3907 正是基于最大電流自動電流分配的思想，簡化了并聯(lián)電源系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，得到廣泛應(yīng)用。2.2.2.2.4 4 平均電流分配法平均電流分配法環(huán)外調(diào)整結(jié)構(gòu)和母線平均配置相結(jié)合形成平均電流分配法。即將圖 2.

27、6 中9 / 31的二極管用一個電阻 R 代替。如果所有電阻 R 參數(shù)完全一致，電流線的電壓反映了所有模塊電流的平均值。當(dāng) 時表明已經(jīng)達(dá)到電流分配，如果電流csbaUU分配不均，電阻 R 上出現(xiàn)電壓，該電壓通過誤差放大器輸出一個誤差電壓，從而修正基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到電流分配目的。平均電流法是一項專利技術(shù)，可以實現(xiàn)精確的均流。缺點是當(dāng)電流母線短路或某個模塊不工作時母線電壓下降，將促使每個模塊電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限，造成故障。解決辦法是自動地把故障模塊從電流母線上切除。2.2.2.2.5 5 主從電流分配法主從電流分配法 在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個模塊為主模塊，直接連接到電流母線，其余的為從模塊

28、，從母線上獲取電流分配信號。圖 2.7 為采用電壓環(huán)調(diào)整結(jié)構(gòu)的主從電流分配法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因為系統(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。 圖 2.7 主從電流分配法采用這種電流分配法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡單，模塊間聯(lián)線復(fù)雜。缺點是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將完全癱瘓，寬帶電壓回路容易產(chǎn)生噪聲干擾。使用中主、從模塊間的聯(lián)線應(yīng)盡量短。10 / 313 3 降壓斬波電路降壓斬波電路3.13.1 降壓斬波電路的概念降壓斬波電路的概念 降壓斬波電路是利用現(xiàn)代電力電子技

29、術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電路，該電路一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成。降壓開關(guān)電源屬于直流開關(guān)電源非隔離式單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的派生型。3.23.2 降壓斬波電路的特點降壓斬波電路的特點降壓斬波電路是將直流電流變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)直流電，也成為直接變換器。其主要特點有：非常小的部損耗；非常小的溫度漂移；很高的輸出電壓穩(wěn)定度；很好的負(fù)載和線性調(diào)整率；很寬的工作溫度圍；較寬的輸入圍；外圍電路非常簡單，使用起來極為方便。3.33.3 降壓斬波電路的原理降壓斬波電路的原理3.3.13.3.1 PWMPWM 控制信號控制信號PWM

30、 波形的產(chǎn)生和控制是降壓斬波電路的技術(shù)核心之一，本文采用的是模擬電路構(gòu)成三角波和直流信號發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點，以形成等脈寬 PWM 波。如圖 3.1 所示。11 / 31圖 3.1 PWM 控制信號3.3.23.3.2 降壓主電路降壓主電路 直流降壓斬波主電路使用一個全控電壓驅(qū)動器件 IGBT。用控制電路和驅(qū)動電路來控制 IGBT 的導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng) t=0 時，V 管被激勵趨于導(dǎo)通，VD 要承受反壓。在 V 管接通的的 t1 時間，開關(guān)管 V 流過的電流就是電感電流，電感 L 中電流直線上升，能量存能電感中。電源 E 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E,負(fù)載電流0Uio 按指數(shù)曲線上升。當(dāng)

31、 t=t1 時刻 V 管關(guān)斷，由于電感儲能作用，電感電流必須要按某一路徑流通，能量要釋放。其中二極管 VD 勢必導(dǎo)通，電感電流可通過負(fù)載，VD 形成通電回路。電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流，負(fù)載電壓近似零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。0U為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，故應(yīng)串聯(lián)較大的電感 L。當(dāng)電路工作穩(wěn)定時，負(fù)載電流在一個周期的初期和終值相等，ETTUon式中為 V 處于通態(tài)時間，處于斷態(tài)時間；T 為開關(guān)周期；為占空比，onToffTTTon/簡稱導(dǎo)通比。12 / 31圖 3.2 降壓斬波電路主電路負(fù)載電流的平均值為 I=/R0U若負(fù)載中 L 值較小，則在 V 關(guān)斷后，到了 T2 時刻，負(fù)載電流已衰減至零，

32、會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。有波形可見，負(fù)載電壓平均值被抬高，一般不0U希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。圖 3.3 降壓電路波形圖3.3.33.3.3 降壓反饋回路降壓反饋回路根據(jù)題目要求，要做到不論輸入電壓 Vi怎樣變化，都要得到一定的輸出電壓 Vo ，并且輸出電壓值 Vo逐漸趨于穩(wěn)定，所以要設(shè)計反饋回路，以達(dá)到電壓自動調(diào)節(jié)。由公式（3.1）知，輸出電壓 Vo與輸入電壓 Vi 、占空比 D 有關(guān)，那么當(dāng)輸入電壓 Vi變化時，只要調(diào)節(jié)占空比 D 就可使輸出電壓 Vo自動穩(wěn)定到要求得到的電壓值。由 PWM 信號的產(chǎn)生方法可知，調(diào)節(jié)直流信號 b 的值可直接調(diào)節(jié)占空比D，b 與 D 的關(guān)系為： bD1 . 0

33、1（3.1）結(jié)合式 3.1 和式 3.2 得： (3.2）)1 . 01 . 0(ViVoVib13 / 31由式 （3.1）可知當(dāng)輸入電壓 Vi一定時，輸出電壓 Vo只與 b 有關(guān)，所以設(shè)計如圖（3.2）所示反饋回路得到 b 值。圖中 U 為實際輸出電壓，UVo，0.1 為實際輸出電壓 U 與理想輸出電壓 Vo的差值的反饋比例系數(shù)。14 / 314 4 軟件仿真設(shè)計軟件仿真設(shè)計4.14.1 軟件介紹軟件介紹4.1.14.1.1 MatlabMatlab 仿真軟件介紹仿真軟件介紹Matlab 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平

34、的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。當(dāng)前流行的 Matlab 6.5/7.0 包括擁有數(shù)百個部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox).工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包.功能工具包用來擴(kuò)充 Matlab 的符號計算,可視化建模仿真,文字處理與實時控制等功能.學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強的工具包,控制工具包,信號處理工具包,通信工具包等都屬于此類. 目前，Matlab 已經(jīng)把工具包延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI 控制、魯棒

35、控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型與半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。4.1.24.1.2 SimulinkSimulink 仿真環(huán)境介紹仿真環(huán)境介紹Simulink 是一個以 Matlab 的核心數(shù)學(xué)運算功能、圖形處理功能和編程語言為基礎(chǔ)的仿真系統(tǒng)。它是 Matlab 軟件的擴(kuò)展，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建摸和仿真的一個軟件包，用于動態(tài)系統(tǒng)仿真、性能評估、控制、DSP 和通信系統(tǒng)設(shè)計的框圖建模環(huán)境。同時，Simulink 又是以 Matlab 為基礎(chǔ)的，必須在 Matlab

36、環(huán)境中運行。Simulink 中的“Simu”一詞表示可用于計算機仿真，而“Link”一詞表示它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。作為Matlab 的一個重要組成部分，Simulink 由于它所具有的上述的兩大功能和特色，以與所提供的可視化仿真環(huán)境、快捷簡便的操作方法，而使其成為目前最受歡迎的仿真軟件。另外，Simulink 是一個開放式組件，具有很好的開放性，允許與 Matlab15 / 31的工具箱一起使用，且可以調(diào)用并執(zhí)行 Matlab 的 m 文件。在使用 DSP Builder進(jìn)行算法的模型設(shè)計時，可以通過編寫 m 文件來提供圖像處理系統(tǒng)的輸入，并將處理后的

37、結(jié)果讀回顯示，這對于數(shù)字圖像處理來說，是非常有益處的，既可以方便的讀取圖像，又可以直觀的看到模型輸出的圖像處理結(jié)果，從而根據(jù)結(jié)果對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。4.1.34.1.3 simulinksimulink 電路仿真環(huán)境使用方法電路仿真環(huán)境使用方法利用 Simulink 進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟是：啟動 Simulink；建立 Smulink 仿真模型；設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真；輸出仿真結(jié)果。a.a.啟動啟動 SimulinkSimulink單擊 MATLAB Command 窗口工具條上的 Simulink 圖標(biāo)，或者在 MATLAB 命令窗口輸入 simulink，即彈出圖示的模塊庫窗口界面(Simuli

38、nk Library Browser)。該界面右邊的窗口給出 Simulink 所有的子模塊庫。常用的子模塊庫有 Sources(信號源)，Sink(顯示輸出),Continuous(線性連續(xù)系統(tǒng))，Discret（線性離散系統(tǒng))，F(xiàn)unction & Table（函數(shù)與表格)，Math(數(shù)學(xué)運算)， Discontinuities (非線性)，Demo（演示）等。 每個子模塊庫中包含同類型的標(biāo)準(zhǔn)模型，這些模塊可直接用于建立系統(tǒng)的 Simulink 框圖模型。b.b.打開空白模型窗口；打開空白模型窗口；模型窗口用來建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個空白的模型窗口，才能將模塊庫的相應(yīng)模塊

39、復(fù)制到該窗口，通過必要的連接，建立起 Simulink 仿真模型。也將這種窗口稱為 Simulink 仿真模型窗口。以下方法可用于打開一個空白模型窗口：(1)(1)在 MATLAB 主界面中選擇File:NewModel菜單項；(2)(2)單擊模塊庫瀏覽器的新建圖標(biāo)；(3)(3)選中模塊庫瀏覽器的File : New Model菜單項。c.c.建立建立 SmulinkSmulink 仿真模型；仿真模型；在 Simulink 模型或模塊庫窗口，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo)，圖標(biāo)四角出現(xiàn)黑色小方點，表明該模塊已經(jīng)選中。在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標(biāo)左鍵不放并移動鼠標(biāo)至目標(biāo)模型窗口指定位置，釋放鼠標(biāo)即

40、完成模塊拷貝。模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按 Del 鍵即可。使模塊輸入輸出端口的方向改變。選中模塊后，選取菜單 FormatRotateBlock，可使模塊旋轉(zhuǎn) 900。d.d.設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真；設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真；16 / 31模塊參數(shù)設(shè)置：用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo)，打開模塊對話框，根據(jù)對話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改。例如雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對話框，在對話框中分別輸入分子、分母多項式的系數(shù)，點擊 OK 鍵，完成該模型的設(shè)置。模塊的連接：模塊之間的連接是用連接線將一個模塊的輸出端與另一模塊的輸入端連接起來；也可用分支線把一個模塊的輸出端與幾個模塊的輸入端連

41、接起來。連接線生成是將鼠標(biāo)置于某模塊的輸出端口(顯一個十字光標(biāo)) ，按下鼠標(biāo)左鍵拖動鼠標(biāo)置另一模塊的輸入端口即可。 分支線則是將鼠標(biāo)置于分支點，按下鼠標(biāo)右鍵，其余同上。模塊文件的取名和保存：選擇模型窗口菜單 FileSave as 后彈出一個“Save as”對話框，填入模型文件名，按保存(s)即可。仿真運行和終止：在模型窗口選取菜單Simulation: Start，仿真開始，至設(shè)置的仿真終止時間，仿真結(jié)束。若在仿真過程中要中止仿真，可選擇Simulation: Stop菜單。也可直接點擊模型窗口中的 （或 ）啟動（或停止）仿真。 在 Matlab 命令窗口下可直接運行一個已存在的 Simu

42、link 模型：t,x,y=sim(model,timespan,option,ut)t 為返回的仿真時間向量；x 為返回的狀態(tài)矩陣；y 為返回的輸出矩陣；model 為系統(tǒng) Simulink 模型文件名；timespan 為仿真時間；option 為仿真參數(shù)選擇項，由 simset 設(shè)置；ut 為選擇外部產(chǎn)生輸入, =T,u1,u2,un。tUe.e.輸出仿真結(jié)果；輸出仿真結(jié)果；雙擊示波器圖標(biāo)，查看輸出信號。4.24.2 仿真電路的搭建仿真電路的搭建MATLAB 7.0 中提供了用于電力電子仿真的 Power System Blockset(PSB)工具箱，在 Simulink 下打開 PS

43、B 工具箱，建立新文件，用鼠標(biāo)將要用到的圖標(biāo)拖放到新建的窗口文件中，將各模塊按一定的順序進(jìn)行連接，構(gòu)建成圖 5.1 所示17 / 31的系統(tǒng)仿真框圖。圖 4.1 系統(tǒng)仿真框圖 所需說明的是，圖中 Relational Operator 為比較器，選擇為大于比較器使得 b 值越大，占空比 D 越?。籌deal Switch1 為開關(guān)管；Current Measuremrnt 為電流表；Voltage Measurement 位電壓表；Scopel 為示波器，同時可以顯示 PWM 波信號，負(fù)載電流信號，反饋公式，ViVVbOi1 . 01 . 0/的運算過程。ViOOOrefOKKIViKIKVV

44、V/max4.34.3 電路參數(shù)的選擇電路參數(shù)的選擇4.3.14.3.1 PWMPWM 信號的參數(shù)選擇信號的參數(shù)選擇為了使開關(guān)頻率夠高，選擇 PWM 工作頻率為 20KHz，所以 T0.00005s，參照反饋值 b 的大小，確定三角波幅值 a10，使得 b 可以與三角波相交，得到完整的 PWM 波。在 Simulink 環(huán)境中，要想運行系統(tǒng)得到完整的 PWM 波形，需設(shè)置系統(tǒng)運行的步長，只有當(dāng)步長小于周期 T 的四分之一時才能得到完整的波形，所以設(shè)置步長為 0.00001。18 / 314.3.24.3.2 主電路各器件的參數(shù)選擇主電路各器件的參數(shù)選擇a.a.開關(guān)管的選擇開關(guān)管的選擇導(dǎo)通時等效

45、電阻54. 0:)(ONDSR漏源極電壓：100VdsV門極源極電壓：20VgsV開通時間：47ns關(guān)斷時間：42ns門極和漏極總的電荷量=5.0ncgQb.b.二極管的選擇二極管的選擇反向電壓：200VrmV平均正向電流 Io：10A導(dǎo)通壓降：0.93VmaxfV反向恢復(fù)時間：30nsrrTc.c.電感的選擇電感的選擇在開個關(guān)功率源的功率極中，電感的功能是儲存能量，電流流過時能量會以磁場的方式儲存下來，所以定性的說，電感的作用就是試圖保持固定不變的電流值，或者等效的說是限制流過電感電流的變化率。在 DC/DC 電路設(shè)計時，要求設(shè)定在連續(xù)導(dǎo)通模式下，負(fù)載電流都高于某個一定的水平，這個水平通常是

46、全負(fù)載電流的 5%到 10%。輸入電壓圍，輸出電壓和負(fù)載電阻通常都是由電路規(guī)格來定的，這樣電感值就成了讓轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式的可設(shè)計參數(shù)。讓電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式的電感的最小值可以由式（4.1）來確定。 (4.1)max1max1min2VVVITVLOcritOSO帶入數(shù)值計算得 Lmin0.000071H。d.d.電容的選擇電容的選擇在開關(guān)功率源的功率級中，由于加載電壓輸出電容在電廠儲存能量，所以定性的說，電容的功能就是試圖保持一個固定不變的電壓。通常選取 DC/DC 功率級的輸出電容值，使得把輸出電壓的紋波電壓限制在規(guī)格要求的水平。電容的串聯(lián)阻抗和功率級的輸出電流決定了輸出電壓的紋波

47、。導(dǎo)致電容產(chǎn)生阻抗的三哥元素是等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感和電容。對于連續(xù)電感器電流模式下的工作，為了確定電容值，需要知道它一個關(guān)于輸出負(fù)載電流 Io、開關(guān)頻率 fs 、要求的輸出紋波電壓Vo 的函數(shù)，在假定所有輸出電19 / 31壓紋波都是由電容器的電容產(chǎn)生的情況，使用式（4.2） 。這是因為在功率級開態(tài)，輸出電容器提供了所有的輸出負(fù)載電流。 (4.2)OSMaxMaxOVfDIC式中 Io（Max）是最大輸出電流，DMax是最大占空比。 帶入數(shù)值計算得 C0.0005F。e.e.負(fù)載電阻的選擇負(fù)載電阻的選擇為使?jié)M足題目要求輸出電壓最大達(dá) 8V。所以負(fù)載選擇 4。f.f.電壓環(huán)和電流環(huán)的比例參

48、數(shù)電壓環(huán)和電流環(huán)的比例參數(shù)根據(jù)均流技術(shù)下垂法，改變電流的反饋信號也就改變了外特性曲線，根據(jù)公式算出和。ViOOOrefOKKIViKIKVVV/maxiKVK20 / 315 5 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試5.15.1 降壓調(diào)試降壓調(diào)試 由式 2.1 可知，當(dāng)占空比 D 小于 0.5 時，電路處于降壓工作狀態(tài)，由于占空比 D 由反饋回路中的參數(shù) Constant1 決定，所以當(dāng)確定輸入電壓 Vi 后，設(shè)置理想輸出值 Constant1Vi 即可得到降壓效果。調(diào)試過程可反復(fù)實驗多個輸入電壓 Vi，檢查電路是否能達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)輸入電壓 U=24V 時，運行系統(tǒng)得到輸出電壓信號如圖 5.1 所示。圖 5.1

49、 電壓輸出信號圖5.25.2 電流比例電流比例 1:11:1 調(diào)試調(diào)試為兩個模塊并聯(lián)工作時的等效電路與其外特性曲線。如果兩個模塊的參數(shù)全一樣，即。輸出電流信號如圖 5.2 所示。max2max1VV21 / 31圖 5.2 電流輸出信號1I 圖 5.3 電流輸出信號2I22 / 315.35.3 電流比例電流比例 1:21:2 調(diào)試調(diào)試根據(jù)均流技術(shù)改變改變電壓環(huán)和電流環(huán)的比例參數(shù)改變外特性改變輸出電流。電流輸出信號如圖 5.4 所示。圖 5.4 電流輸出信號1I23 / 31圖 5.5 電流輸出信號2I5.45.4 調(diào)試注意事項調(diào)試注意事項在調(diào)試過程中，要多次調(diào)節(jié) PWM 信號改變占空比觀察輸

50、出電壓信號和輸出電流信號，根據(jù)均流技術(shù)多次調(diào)節(jié)反饋電流使輸出電流能達(dá)到我們所需要的比例。為了使觀察到的波形更為完整，在示波器的設(shè)置中應(yīng)該加大取點個數(shù)的設(shè)置，將默認(rèn)的 5000，改為 500000，以滿足需要。在修改參數(shù)時，注意要先停止運行系統(tǒng)，再修改參數(shù)，運行前先進(jìn)行保存。為了看清局部波形的具體數(shù)值，可以單擊示波器工具欄的放大圖標(biāo)，在需要放大的波形位置拖動鼠標(biāo)，便可以看到局部放大后的波形。24 / 31結(jié)結(jié) 論論通過這么長一段時間的學(xué)習(xí)和指導(dǎo)，我的論文仿真設(shè)計終于完成，看著自己努力后的結(jié)果，有說不出的感觸。通過這段時間的努力，對我前期的學(xué)習(xí)有了系統(tǒng)的總結(jié)。本設(shè)計利用 MATLAB 仿真軟件中的

51、 Smulink 環(huán)境對并聯(lián)開關(guān)電源的電流比例進(jìn)行了設(shè)計于仿真。其中包括了前期對 MATLAB 軟件的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中遇到了很多的問題，通過查資料逐個解決。之后進(jìn)行了降壓斬波的路的資料收集工作，對 PWM 波的產(chǎn)生方法進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)，對均流技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，中間遇到很多很多問題，通過自己的努力和老師的指導(dǎo)我終于撥開云霧見青天了。本設(shè)計的難點在于主電路的設(shè)計和反饋回路的設(shè)計，在做這一部分工作時遇到了很多困難，通過指導(dǎo)老師的指點和各方面資料的閱讀，完成了電路的整體設(shè)計。在調(diào)試過程中又出現(xiàn)了新的問題：參數(shù)的選擇。通過公式計算得到了基本參數(shù)，但是在運行時還存在很多細(xì)微的偏差，比如電壓穩(wěn)定后與額定值誤差太大等情況，在不斷的運行、記錄、比較、修改、再運行中，選定了合適的參數(shù)。最終測量了幾組數(shù)據(jù)，都已達(dá)到畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的各項要求，成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從