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 一降壓斬波電路.6二直流斬波電路工作原理及輸出輸入關系12三控制實現(xiàn)19四直流斬波電路的建模與仿真.29五課設體會與總結.30六參考文獻31摘要介紹了一種新穎的具有升降壓功能的DCDC變換器的設計與實現(xiàn)，具體地分析了該DCDC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DCDC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：DCDC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：式中為V處于通態(tài)的時間；為V處于斷態(tài)的時間；

2、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)開關導通時間不變，稱為PWM。2） 保持開關導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調制或調頻型。3） 和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。1.2 工作原理1）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(shù)曲線上升2）t=t1時刻控制V關斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓uo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L值較大 l 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析l 從能量

3、傳遞關系出發(fā)進行的推導l 由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變l 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為El 在整個周期T中，負載消耗的能量為（RT+T）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(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

4、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。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

5、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(nèi)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

6、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）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，電容C向負載R供電，輸出電壓恒定。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，此階段L上積蓄的能量為設V斷態(tài)的時

7、間為，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：=化簡得 升壓比；升壓比的倒數(shù)記作，即和的關系：a+=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DCDC變換器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，如圖3所示。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，在輸入電壓或負載擾動作用下保

8、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

9、獲得PWM 波。分析可知，兩種不同的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(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

10、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(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=5 Q，Cs=0；電壓源參數(shù)取Us=200 V，E=80 V；負載參數(shù)取R=10 ，L=5 mH。4.2運行結果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

11、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，但是基本上還是一致的。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。本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，使我在本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