直流斩波电路设计与仿真

1电力电子技术课程设计报告姓名：学号：班级：指导老师：专业：设计时间：2目录一．降压斩波电路…………………………………………………..6二．直流斩波电路工作原理及输出输入关系……………12三．控制实现…………………………………………………………19四．直流斩波电路的建模与仿真......................................29五．课设体会与总结....................................................30六．参考文献…………………………………………………………313摘要介绍了一种新颖的具有升降压功能的DC／DC变换器的设计与实现，具体地分析了该DC／DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果关键词：DC／DC变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM；直流脉宽调速一．降压斩波电路1.1降压斩波原理：REUIEETtttEtUMonoffonon000式中ont为V处于通态的时间；offt为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比火导通比。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ont不变，称为PWM。2）保持开关导通时间ont不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。3）ont和T都可调，使占空比改变，称为混合型。1.2工作原理1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升2）t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析4从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为E0Iont在整个周期T中，负载消耗的能量为（R0IT+ME0IT）一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等REUIEETtttEtUMonoffonon000输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况句会出现反电动势。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。仅有这些固有部分所组成的系统是难以满足生产机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的，为了设计一个静态，动态都适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须5对系统进行校正。也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加一个校正环节，使系统的动态性能也能达到指标的要求。本文中的双闭环可逆ＰＷＭ调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调的PWM波，它的内部包括误差放大器,限流保护环节,比较器,振荡器,触发器,输出逻辑控制电路和输出三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器,输出级是由ＩＧＢＴ构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。由于电路有开关频率高的特点，所以直流脉宽调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高，系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等二．直流斩波电路工作原理及输出输入关系2.1升压斩波电路（BoostChopper）升压斩波电路假设L和C值很大。处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定1i，电容C向负载R供电，输出电压0u恒定。断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。设V通态的时间为ont，此阶段L上积蓄的能量为ontEi1设V断态的时间为offt，则此期间电感L释放能量为offtiEu10)(6稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：ontEi1=offtiEu10)(化简得EtTEtttuoffoffoffon0offtT——升压比；升压比的倒数记作β，即offtTβ和α的关系：a+β=1所以输出电压为EEu1110三、控制实现控制系统的设计可以采用模拟控制方案和数字控制方案，这里以模拟控制方案阐述该DC／DC变换器控制系统的实现，如图3所示。7检控制电路由两级PI调节器、PWM波产生电路、驱动电路、故障测与保护电路等组成。两级PI调节器是控制电路的核心控制单元，两级均为带限幅输出的PI调节器，前级是电压调节器，后级是电流调节器，前后级串联构成了以输出电压为主控制对象、输出电流为副控制对象的双闭环控制系统。电压环的作用是稳定输出电压，在输入电压或负载扰动作用下保证输出稳定。电流环是在稳态时跟随电压环，从而使系统动态响应快，调节性能好，也易于实现限流和过流保护。由于电压调节器的输出作为电流调节器的给定，故电压调节器的限幅值决定了电流调节器的最大输出电流。此外，电流调节器的限幅值限制了最大输出电压，防止了输出电压过高的非正常状态，从而保证了系统的安全可靠。PWM波产生电路负责两种PWM开关方案的实现，以满足变换器降压工作模式和升压工作模式的要求。由于需要产生两路控制信号，因此必须配合主变换电路进行特殊的电路设计，以解决控制逻辑的分配问题。如图3所示，电流调节器输出送到比较器IC、IC2同相端，由一个三角波发生器产生的三角波送到反相端，两路信号相比较叠加获得PWM波。分析可知，两种不同的PWM开关方案可以通过对送到比较器IC、IC4反相端的三角波加上不同的偏移电压和来实现。当电流调节器输出电压低于5V时，比较器IC与三角波有交点，输出PWM波，该波形用于驱动T，而比较器IC4与三角波没有交点，故无脉冲输出，T2截止；当电流调节器输出电压高于5V时，比较器IC4与三角波有交点，输出PWM波，该波形用于驱动T，而比较器IC输出高电平，T1处于全导通状态；而且，降压工作模式和升压工作模式的切换是平滑过渡的。这样，就得到了逻辑上合乎要求的两路控制信号，然后再经驱动电路去驱动两个开关管T1和T2。为了提高系统的可8靠性，还设计了故障检测与保护电路，包括过流保护、过压保护、过热保护等。这主要利用比较器对电流、电压、温度等的检测值与设定的保护值比较，一旦发生超限现象，立即产生相应的保护动作。四．直流斩波电路的建模与仿真4.1仿真模型及参数设置(1)由IGBT构成直流降压斩波电路(BuckChop-per)的建模和参数设置图2为由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型，IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路，即Rs=5ΩQ，Cs=0；电压源参数取Us=200V，E=80V；负载参数取R=10Ω，L=5mH。94.2运行结果1011五．课设体会与总结这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢，通过这两周的电力电子课程设计，不仅对MATLAB软件有了进一步的了解，对BUCK降压电路也有的深入的认识和理解。BUCK变换器电路在电力电子学习中就是非常重要典型的电路，通过这次的课程设计仿，对电路的特点，优缺点有了更加深刻的理解。刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助，学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。通过在实验室测得的波形和仿真的波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。经过这次的课程设计，发现MATLAB软件功能非常强大。平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。最后，感谢老师的耐心指导和同组同学的大力支持，使我在本次设计中将遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到了更多的知识。再次感谢在本次设计中给予我帮住的人，谢谢你们！12六．参考文献1.王兆安．黄俊．电力电子技术，第4版，机械工业出版社，20002.张乃国．电源技术．北京：中国电力出版社，19983.何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，20014.阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，20005.陈汝全．电子技术常用器件应用手册【M】．机械工业出版社6.陈礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005．