直流升降压斩波电路

课程设计说明书直流升降压斩波电路的设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：肖文英职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：完成时间：摘要20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。利用全控型器件可以组成变流器。直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。直流—直流变流电路（DC-DCConverter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DCChopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。本文着重介绍直流升降压斩波电路的原理和基于MATLAB的Simulink的直流升降压斩波电路的仿真。关键词：直流—直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真ABSTRACTSincethe1980s,electronicinformationtechnologyandpowerelectronicstechnologydevelopmentonthebasisoftheirrelativecombinetoproduceagenerationofhigh-frequency,full-controlledpowerelectronicdevices,thereisatypicalrepresentativeofgate-turn-offthyristor,powertransistors,powerfieldeffecttransistorandaninsulatedgatebipolartransistor.Theuseoffull-controlleddevicemaybecomposedoftheconverter.DC-DCconverterisoneofthem,itiswidelyusedintelecommunicationsswitches,computersandmobilephonesandotherelectronicdevicesswitchingpowersupply.DC-DCconvertercircuit(DC-DCConverter)functionistodirectcurrentvoltageintoanotherfixedoradjustableDCvoltage,direct-currentconvertercircuitincludingdirectandindirectDCconvertercircuit.DirectDCconvertercircuitisalsoknownasachoppercircuit(DCChopper),itsfunctionistodirectcurrentvoltageintoanotherfixedoradjustableDCvoltage.ThisarticlefocusesontheDC-downchoppercircuitprincipleandbasedonMATLABSimulinkDCbuckconvertercircuitsimulation.Keywords:DC-DCconvertercircuit;Liftpressurechopper;Simulink;Simulation目录1升降压斩波电路的原理..............................................11.1基本原理......................................................11.2波形图........................................................22控制和驱动电路....................................................33保护电路及其他辅助电路............................................43.1保护电路......................................................43.1.1过电压保护...............................................43.1.2过电流保护...............................................53.2直流供电电源..................................................53.3器件选择......................................................64仿真分析..........................................................64.1建立仿真模型..................................................64.2仿真结果分析..................................................75设计总结..........................................................8参考文献............................................................9附录...............................................................101升降压斩波电路及基本原理1.1工作原理图1所示为升降压斩波电路（Buck-BoostChopper）原理图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒值。图1升降压斩波电路该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为1i，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为2i，方向如图1所示。可见，负载电压极性为下正上负，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。稳态时，一个周期T内电感L两端电压Lu对时间的积分为零，即：0000offtTtonoffLonLTLtuEtdtudtudtuonon(2-1)当V处于通态期间时，Lu=E，而当V处于断态期间时，Lu=-0u。于是offoontUEt所以输出电压为：EEtTtEttuononoffon10(2-2)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，简称占空比或导通比。若改变导通比，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当012时为降压，当121时为升压，因此该电路称为升降压斩波电路。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波形图输出电压EEttUoffonO1图2.4给出了电源电流1i和负载电流2i的波形，设两者的平均值分别为1I、2I，当电流脉动足够小时，有offonttII21由上式可得1121IIttIonoff如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则有21IUEIO其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。图2升降压斩波电路波形2SG3525控制和驱动电路SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动功能；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。其特点如下：（1）工作电压范围宽：8—35V。（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525内部结构如图3所示，直流电源SV从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。其他引脚分别为：引脚1为反相输入，2为同相输入引脚，3为同步端引脚，4为振荡器输出引脚，7为放电端引脚，8为软启动端引脚，9为补偿引脚，10为闭锁控制引脚，引脚12接地。内部结构如下：图3控制和驱动电路3保护电路及其它辅助电路的设计3.1保护电路电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必须的。3.1.1抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图所示。图4过电压保护电路3.1.2抑制过电流的方法：常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。图5快速熔断器3.2直流供电电路图6直流电源负载平均电压Ui升高，纹波减小，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压，一般取2)5~3(dTCRL式中T为电源交流电压的周期。电容滤波电路的负载电压𝑈𝑖与𝑈2的关系为𝑈𝑖=𝑌1.1~1.2𝑌𝑈2。令整流后输出电压为200V，则整流前输入电压2U=iU/1.2=200/1.2=166.7V因为电源为交流单项220V，变压器变比需满足1U：2U=220:166.7=1:1此时前级整流输出电压E为200V。并且为满足输出电流oI最大2A，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为，VTI=oI/2=1A。变压器二次侧的电流2A，由变压器变比为1:1，流过一次侧的电流为2A。3.3器件选择要求输出直流电压oU在100~300V可调，由输出电压公式EU