直流斬波電路設(shè)計(jì)與仿真

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名：學(xué) 號：班 級：指導(dǎo)老師：專 業(yè)：設(shè)計(jì)時(shí)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(guān)系12三控制實(shí)現(xiàn)19四直流斬波電路的建模與仿真.29五課設(shè)體會(huì)與總結(jié).30六參考文獻(xiàn)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(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)，最后給出了測試結(jié)果關(guān)鍵詞：DCDC變換器，降壓斬波，升壓斬波，儲能電感，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：式中為V處于通態(tài)的時(shí)間；為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T

2、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)間不變，稱為PWM。2） 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） 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io按指數(shù)曲線上升2）t=t1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 l 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析l 從能量

3、傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)l 由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變l 電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為El 在整個(gè)周期T中，負(fù)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(fù)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(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。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

4、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、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

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(jī)械的全面要求的，特別是對系統(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，還必須對系統(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

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

7、間為，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：=化簡得 升壓比；升壓比的倒數(shù)記作 ，即和的關(guān)系：a+=1所以輸出電壓為 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。檢控制電路由兩級PI調(diào)節(jié)器、PWM 波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、故障測與保護(hù)電路等組成。兩級PI調(diào)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(diào)節(jié)器，前級是電壓調(diào)節(jié)器，后級是電流調(diào)節(jié)器，前后級串聯(lián)構(gòu)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(fù)載擾動(dòng)作用

8、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，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，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，兩路信號相比較

9、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(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，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)的可靠性，

10、還設(shè)計(jì)了故障檢測與保護(hù)電路，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。這主要利用比較器對電流、電壓、溫度等的檢測值與設(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。 4.2 運(yùn)行結(jié)果五課設(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)中遇到了很多編程問題

11、，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，在次我表示感謝！同時(shí)，對給過我?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MATLAB軟件有了進(jìn)一步的了解，對BUCK降壓電路也有的深入的認(rèn)識和理解。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，對電路的特點(diǎn)，優(yōu)缺點(diǎn)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(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)室測得的波形和仿真的波形進(jìn)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(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，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。再次感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我?guī)妥〉娜?，謝謝你們！六參考文