直流升降壓變換器設(shè)計與仿真

1、1 緒論電力電子學, 又稱功率電子學。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置， 以完成對電能的變換和控制。 為自動化專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)技能設(shè)計， 課程設(shè)計對自動化專業(yè)的學生是一個非常重要的實踐教學環(huán)節(jié)。 通過設(shè)計能夠使學生鞏固、 加深對變流電路基本理論的理解， 提高學生運用電路基本理論分析和處理實際問題的能力， 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。斬波電路 (DC Chopper) 的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電， 也稱為直接直流直流變換器( DC/DC Converter) 。 直流斬波電路的種類很多，包括6 種基本斬波電路：降壓斬波

2、電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。應(yīng)用 Multisim 建立了電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對升降壓斬波Boost Buck電路進行了較詳細的仿真分析。本文分析了升降壓斬波電路的工作原理， 又用 Multisim 對升壓 - 降壓變換器進行了仿真建模，最后對仿真結(jié)果進行了分析總結(jié)。2直流升降壓斬波電路工作原理及輸入輸由關(guān)系2.1 升降壓斬波電路工作原理圖2.1所示為升降壓斬波電路(Buck-Boost Chopper-)原理圖及波形圖。電 路中電感L值很大，電容C值也很大。因為要使得電感電流和電容電壓基本為 恒指。a)原

3、理圖b)波形圖圖2.1升壓/降壓斬波電路的原理圖及波形圖該電路的基本工作原理：當可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供 電使其儲存能量，此時電流為I1,方向如圖1所示。同時，電容C維持輸出電壓 基本恒定并向負載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負載釋放， 電流為I2,方向如圖1所示?？梢?，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T內(nèi)電感L兩端電壓見對時間的積分為零。 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(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)導通時間ton不變，稱為PWM。2、保持開關(guān)導通時間ton不變，改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻

4、型。3、ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。(1) V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸 出電壓恒定并向負載R供電。(2) V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i20負載電壓極性為上負下正，與 電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。2.2 輸入輸出關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即:當V處于通態(tài)時,U_ E;當V處于斷態(tài)時,UlU。；于是:Eton U Otoff所以輸出電壓為:5% e Jontoff TtonE E1由此可見，改變導通占空比a,就能夠控制斬波電路輸出電壓UL的大小。當0<a <1/2時為降壓

5、，當1/2< a<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。圖(3) b)中給出了電源電流ii和負載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值ton分別為I1和I2 ,當電流脈動足夠小時，有:Ii1 2由上式可得:I2 城 l1 "I1ton如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則： Eli Uo%其輸出功率和輸入功率相等，可將其看作直流變壓器本電路中的主要功率器件必須是全控型。常見的全控型器件有: GTO,GTR,MOSFET,IGBT四種，與其他全控型器件相比，IGBT有開關(guān)速度快, 開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū) 動，驅(qū)動功率小等優(yōu)點，所以本設(shè)計采

6、用IGBT。IGBT的中文名稱是絕緣柵雙極晶體管，它是三端器件，具有柵極G,集電極C和發(fā)射極F,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。發(fā)射極E .柵極一漂移區(qū) 一緩沖區(qū)一注入?yún)^(qū),GC '集電極圖2.2 IGBT、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 a)1 D RN V J -+ID RonEb)IGBT與MOSFET相比多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的導電能力。其靜態(tài)特性如圖2.3所示圖2.3 IGBT靜態(tài)特性圖2.3 控制電路設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)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DC/DCE換器控制系統(tǒng)的設(shè)計，如圖2.4所示。圖2.4控制實現(xiàn)框圖控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生 PWM信號，用于控制

7、斬波電路中主功率器 件的通斷，通過對占空比a的調(diào)節(jié)，達到控制輸出電壓大小的目的。產(chǎn)生 PWM 信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機、PLC、 可編程邏輯控制器等。本設(shè)計采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片UG3525該芯片的 外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容， 就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改 變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調(diào)電阻就能 實現(xiàn)PWM控制。UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示。圖2.5 UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4 保護電路設(shè)計在斬波電路中對斬波器的保護， 實際上就是對全控型器件的保護。 所以重要的是怎么設(shè)計好對全控型器件的

8、保護方案。在設(shè)計對全控型器件的保護系統(tǒng)中，主要是針對過電流保護和開關(guān)過程中的過電壓保護。 本設(shè)計中， 將通過設(shè)計保護電路來對 IGBT 進行過電壓保護和過電流保護。2.4.1 IGBT 的過流保護IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載 保護；一類是高倍數(shù)（可達810倍）的短路保護。對于過載保護不必快速響應(yīng)， 可采用集中式保護， 即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT 驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。IGBT 能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該

9、IGBT 的導通飽和壓降有關(guān)， 隨著飽和導通壓降的增加而延長。 通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2 種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷 IGBT 。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷， 很容易發(fā)生誤動作。 降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值， 則降低了故障時器件的功耗， 延長了 器件抗短路的時間， 而且能夠降低器件關(guān)斷時的 di/dt ， 對器件保護十分有利。 若 延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件， 若故障信號消失， 驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。2.4.2

10、 IGBT 開關(guān)過程中的過電壓保護關(guān)斷 IGBT 時， 它的集電極電流的下降率較高， 尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù) kA/s。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓， 導致 IGBT 關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。 所以從關(guān)斷的角度考慮， 希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于 IGBT 的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率3直流升降壓電路仿真實驗3.1 仿真實驗物理仿真需要進行大量的設(shè)備制造、安裝、連

11、接及調(diào)試工作，具投資大、周 期長、靈活性差、改變參數(shù)難、模型難以重用，且實驗數(shù)據(jù)處理也不方便。但是 計算機仿真卻可以很好的解決這個問題。 只要有一臺計算機就可以對不同的控制 系統(tǒng)進行仿真和研究，而且進行一次仿真實驗研究的準備工作也比較簡單，主要 是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計算機編程。專門為電力電子和電動機控 制設(shè)計的一款仿真軟件。它可以快速的仿真和便利的和用戶接觸，為電力電子， 分析和數(shù)字控制和電動機驅(qū)動系統(tǒng)研究提供了強大的仿真環(huán)境。本設(shè)計的仿真模型圖如圖3.1所示。XFG1：R2 ：HWV5kQ：2N2219D2* *1N414aXSC1圖3.1仿真模型圖*-R30D0uF>仿

12、真模型圖中V2是電壓源，提供24V的直流電壓。L為電感，D2為電力 二極管，單項導通，阻止電流反向流動， C2為電容，維持電阻R5端電壓恒定。 R3為負載。電壓表XHM1用來測量流經(jīng)R3的電壓。XSC1為示波器，用于觀 察信號發(fā)生器輸出端的PWM波形和負載電阻兩端的電壓波形。在仿真過程中，我將取輸入的直流電壓為 Ud =24,改變電阻R5控制脈沖電壓的占空比大小 當占空比為a =0.33, Ud=24V是，得到輸出直流電壓 Uo=42V圖3.2為負載電阻端電壓值圖3.2仿真結(jié)果圖3.3中黃色矩形脈沖函數(shù)發(fā)生器輸出端 PWM波，藍色曲線為負載電阻端 電壓。* &iEu3t*d ektro

13、niM Osc llosccp&-XCl Qoao中現(xiàn)可逑/述irgpcu 國卜J卜由 rif377.*， I 4FW|,則VULti-DIUTSJLTiDIV圖3.3仿真結(jié)果當占空比為a =0.84, Ud=24V是，得到輸出直流電壓 Uo=91.2V"M Iti meter- X M M1圖3.4仿真結(jié)果 SimulvtMl TflktrDniN Ouil loscop« -X&C 1在 0000圖3.5仿真結(jié)果如圖3.4為負載電阻端電壓值，圖3.5中黃色矩形脈沖為函數(shù)發(fā)生器輸出端 PWM波，藍色曲線為負載電阻端電壓。當占空比為a =0.93, Ud=2

14、4V是，得到輸出直流電壓 Uo=100.2V。圖3.6仿真結(jié)果* feted舟匕p廣陽 6日1亡”郵制乂式工q 寫畫使r“Fil ： 5IN -I niltCftlV“TE£圖3.7仿真結(jié)果00000gLTKTD”FPWFIGflMF4 I,JOLTSUIVvoLTynivVDLTiUl'J如圖3.6為負載電阻端電壓值，圖3.7中黃色矩形脈沖為信號發(fā)生器 PWM波，藍色曲線為負載電阻端電壓。觀察仿真結(jié)果， 我們發(fā)現(xiàn)電壓雖PWM 占空比的改變而發(fā)生改變， 當占空為百分之九十三的時候負載電阻的端電壓達到了100V,由此可知，該電路設(shè)計可以實現(xiàn)直流升壓。再次觀察負載電阻端電壓的波形

15、， 我們發(fā)現(xiàn)負載電阻端電壓隨PWM 占空比變化而發(fā)生響應(yīng)的速度較慢，但其電壓脈動較小，簡單對比， 電壓脈動在百分之一以內(nèi)，因此，該電路設(shè)計可以達到實驗要求。當我們改變負載電阻阻值后，當阻值越大，電壓的脈動越明顯。3.2 仿真結(jié)論通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論：直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件， 通過控制主電路的接通與斷開， 將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波， 經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用 Simulink 對降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進行了詳細分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較， 進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。總結(jié)在本次課程設(shè)計中，

16、 我查閱了相關(guān)書籍、資料，首先對直流斬波電路有了大致的掌握， 直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件， 通過控制主電路的接通與斷開， 將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波， 經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直 流輸出電壓。進一步復(fù)習了直流斬波電路的基本類型， 包括降壓斬波電路、 升壓斬波電路、升降壓斬波電路等，理解了其工作原理， 熟悉其原理圖及工作時的波形圖， 掌握 了這幾種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、 工作特點， 并在理解的基礎(chǔ)上能對直流斬波電路進行分析計算，加深了對直流斬波電路的掌握及應(yīng)用。通過這兩周的電力電子課程設(shè)計,不僅對MATLA歆件有了進一步的了解，對BUC解壓電路也有的深入的認識和理解。BUC峻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(shè)計仿，對電路的特點， 優(yōu)缺點有了 更加深刻的理解。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(shè)計中將遇到的