直流斬波電路設(shè)計(jì)與仿真.docx

1、. .電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：指導(dǎo)老師：專業(yè)：設(shè)計(jì)時(shí)間：z. .目錄.61219293031z. .摘要介紹了一種新穎的具有升降壓功能的DCDC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體地分析了該 DCDC變換器的設(shè)計(jì) ( 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲(chǔ)能電感參數(shù)設(shè)計(jì)) ，詳細(xì)地闡述了該 DCDC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)，最后給出了測(cè)試結(jié)果關(guān)鍵詞： DCDC變換器，降壓斬波，升壓斬波，儲(chǔ)能電感，直流開關(guān)電源，PWM；直流脈寬調(diào)速一降壓斬波電路1.1 降壓斬波原理 ：U 0t on Et on EEt ontoffTI 0U 0EMR式中 t on 為V處于通態(tài)的時(shí)間； t off 為V處于斷態(tài)的時(shí)間

2、； T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比火導(dǎo)通比。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t on 不變，稱為 PWM。2） 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ton 不變，改變開關(guān)周期 T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） t on 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。1.2工作原理1）t =0時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V導(dǎo)通，電源 E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 uo=E，負(fù)載電流 i o按指數(shù)曲線上升2）t =t 1時(shí)刻控制 V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD續(xù)流，負(fù)載電壓 uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。 為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感 L值較大

3、基于 “分段線性 ”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析z. .從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)由于 L為無窮大，故負(fù)載電流維持為I o不變電源只在 V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為EI 0 ton在整個(gè)周期 T中，負(fù)載消耗的能量為（RI 0 T+EM I 0 T）一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等U 0t on Et on EEt ontoffTI 0U 0EMR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(gè)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(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為在V關(guān)斷是給負(fù)載的電桿電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。斬波電路

4、的典型用途之一個(gè)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可以帶蓄電池負(fù)載，兩種情況句會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。 由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)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(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低 VCE(sat) 的能力，以及 IGBT 的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化

5、 IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。一個(gè)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)速的給定、檢測(cè)、反饋、平波電抗器、可控整流器、放大器、直流電動(dòng)機(jī)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(gòu)成了系統(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(jī)械的全面要求的，特別是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求，有時(shí)甚至是不穩(wěn)定的，為了設(shè)計(jì)一個(gè)靜態(tài)，動(dòng)態(tài)都適用的調(diào)速系統(tǒng)，尤其是達(dá)到動(dòng)態(tài)性能的要求，還必須z. .對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。也就是在上述固有部分所組成的調(diào)速系統(tǒng)中另外加一個(gè)校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也能達(dá)到指標(biāo)的要求。本文中的雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)，采用集成控制器 SG3524產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM波，它的內(nèi)部包括誤

6、差放大器 , 限流保護(hù)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(gè)典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器 , 輸出級(jí)是由構(gòu)成的功率控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，達(dá)到速度控制的目的。由于電路有開關(guān)頻率高的特點(diǎn)，所以直流脈寬調(diào)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(diào)速范圍寬，開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較少，調(diào)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(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)等等二直流斬波電路工作原理及輸出輸入關(guān)系2.1 升壓斬波電路（ Boost Ch

7、opper ）升壓斬波電路假設(shè) L 和 C值很大。處于通態(tài)時(shí)，電源 E 向電感 L 充電，電流恒定 i 1 ，電容 C 向負(fù)載 R 供電，輸出電壓 u0 恒定。斷態(tài)時(shí)，電源 E 和電感 L 同時(shí)向電容 C 充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè) V 通態(tài)的時(shí)間為 ton ，此階段 L 上積蓄的能量為 Ei1 ton設(shè) V 斷態(tài)的時(shí)間為 toff ，則此期間電感 L 釋放能量為 (u0 E)i1 toffz. .穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等：Ei 1t on = (u0E)i1toff化簡得t ontoffETEu0tofft offT 升壓比；升壓比的倒數(shù)記作 ，即Ttofft of

8、f和的關(guān)系： a+=1所以輸出電壓為u01 E1E1三、控制實(shí)現(xiàn)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)的實(shí)現(xiàn)，如圖 3所示。z. .檢控制電路由兩級(jí) PI 調(diào)節(jié)器、 PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、故障測(cè)與保護(hù)電路等組成。兩級(jí) PI 調(diào)節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級(jí)均為帶限幅輸出的PI 調(diào)節(jié)器，前級(jí)是電壓調(diào)節(jié)器，后級(jí)是電流調(diào)節(jié)器，前后級(jí)串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控制對(duì)象、輸出電流為副控制對(duì)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(fù)載擾動(dòng)作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時(shí)跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，

9、也易于實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù)。由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸出電流。此外，電流調(diào)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(fù)責(zé)兩種 PWM開關(guān)方案的實(shí)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(hào)，因此必須配合主變換電路進(jìn)行特殊的電路設(shè)計(jì)，以解決控制邏輯的分配問題。如圖 3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到比較器 IC 、IC2同相端，由一個(gè)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波送到反相端，兩路信號(hào)相比較疊加獲得PWM波。分析可知，兩種不同的PWM開關(guān)方案可以通過對(duì)送到比較器

10、 IC 、IC4反相端的三角波加上不同的偏移電壓 和 來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓低于 5 V 時(shí)，比較器 IC 與三角波有交點(diǎn)，輸出 PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng) T ，而比較器 IC4與三角波沒有交點(diǎn)，故無脈沖輸出， T2截止；當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于 5 V 時(shí)，比較器 IC4與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng) T ，而比較器 IC 輸出高電平， T 1處于全導(dǎo)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(hào)，然后再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管T1 和T2。為了提高系統(tǒng)的可z. .靠性，還設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)與保護(hù)電路，包括過流保護(hù)、過

11、壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。這主要利用比較器對(duì)電流、電壓、溫度等的檢測(cè)值與設(shè)定的保護(hù)值比較，一旦發(fā)生超限現(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)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(shè)置(1) 由 IGBT 構(gòu)成直流降壓斬波電路 (Buck Chop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置圖 2 為由 IGBT 組成的 Buck 直流變換器仿真模型， IGBT 按默認(rèn)參數(shù)設(shè)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(fù)載參數(shù)取 R=10 ，L=5 mH 。z. .4.2運(yùn)行結(jié)果z. .z. .五課設(shè)體會(huì)與總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編

12、程問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，在老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，在次我表示感謝！同時(shí)，對(duì)給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝，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。剛開始，對(duì)很多元件的選擇都不清楚，通過老師的知道和同學(xué)的幫助，學(xué)會(huì)了如何更好的設(shè)計(jì)電路選擇正確的元器件。通過在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的波形和仿真的波形進(jìn)行對(duì)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(shè)計(jì)， 發(fā)現(xiàn) MATLAB 軟件功能非常強(qiáng)大。 平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識(shí)，通過動(dòng)手，會(huì)有更好的認(rèn)知。本次課程設(shè)計(jì)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(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，順利的完成了本次課程設(shè)計(jì)，并從中學(xué)習(xí)到了更多的知識(shí)。再次感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我?guī)?/p>