直流升降壓變換器設(shè)計(jì)與仿真

1、1緒論電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué).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(duì)電能的變換和限制.為自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的專業(yè)根底技術(shù)技能設(shè)計(jì),課程設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生是一個(gè)非常重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié).通過(guò)設(shè)計(jì)能夠使學(xué)生穩(wěn)固、加深對(duì)變流電路根本理論的理解,提升學(xué)生運(yùn)用電路根本理論分析和處理實(shí)際問(wèn)題的水平,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新水平.斬波電路(DCChopper)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,也稱為直接直流一直流變換器(DC/DCConverter).直流斬波電路的種類很多,包括6種根本斬波電路：降壓斬波電路,升壓斬波電路,升降壓斬波電路

2、,Cuk斬波電路,Sepic斬波電路,Zeta斬波電路,前兩種是最根本電路.應(yīng)用Multisim建立了電路的仿真模型,在此根底上對(duì)升降壓斬波Boost-Buck電路進(jìn)行了較詳細(xì)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(duì)升壓-降壓變換器進(jìn)行了仿真建模,最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)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-BoostChopper-)原理圖及波形圖.電路中電感L值很大,電容C值也很大.由于要使得電感電流和電容電壓根本為恒指.a)原理圖b)波形圖圖2.1升壓/降壓斬波電路的原理圖及波形

3、圖該電路的根本工作原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí),電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲(chǔ)存能量,此時(shí)電流為I1,方向如圖1所示.同時(shí),電容C維持輸出電壓根本恒定并向負(fù)載R供電.此后,使V關(guān)斷,電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放,電流為I2,方向如圖1所示.可見(jiàn),負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正,與電源電壓極性相反.穩(wěn)態(tài)時(shí),一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓Ul對(duì)時(shí)間的積分為零.根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同,斬波電路有三種限制方式：1、保持開關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變,稱為PWM.2、保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t0n不變,改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型.3、3和T都可調(diào),使占空比改變,稱為混合型.(1) V通時(shí)

4、,電源E經(jīng)V向L供電使其貯能,此時(shí)電流為i1.同時(shí),C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電.(2) V斷時(shí),L的能量向負(fù)載釋放,電流為i20負(fù)載電壓極性為上負(fù)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(shí),一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零,即:當(dāng)V處于通態(tài)時(shí),u_E；當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí),UlUo；于是:EtonU0toff所以輸出電壓為:U0%E-tontoffTtonEE1由此可見(jiàn),改變導(dǎo)通占空比a,就能夠限制斬波電路輸出電壓U的大小.當(dāng)0<a<1/2時(shí)為降壓,當(dāng)1/2<a<1時(shí)為升壓,故稱作升降壓斬波電路.圖(3)b)中給出了電

5、源電流i1和負(fù)載電流i2的波形,設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2,當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí),有:I1tonI2toff由上式可得:I2"1"I1ton如果V、VD為沒(méi)有損耗的理想開關(guān)時(shí),那么：EI1UOI2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(jiàn)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水平,通態(tài)壓降低,輸入阻抗高,為電壓驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)采用IGBToIGBT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

6、發(fā)射極F,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2,2所示發(fā)射極柵極GINpN-漂移區(qū),緩沖區(qū)IDRN一+IdRon注入?yún)^(qū)圖2.2IGBT、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖a)IGBT與MOSFET相比多一層P+注入?yún)^(qū),具有很強(qiáng)的導(dǎo)電水平.其靜態(tài)特Eb)性如圖2.3所示啊胸(口工|°1就工屋圖2.3IGBT靜態(tài)特性圖2.3 限制電路設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用模擬限制方案和數(shù)字限制方案,這里以模擬限制方案闡述該DC/DCE換器限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),如圖2,4所示.限制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào),用于限制斬波電路中主功率器件的通斷,通過(guò)對(duì)占空比a的調(diào)節(jié),到達(dá)限制輸出電壓大小的目的.產(chǎn)生PWM信號(hào)有很多方法,但歸根到底不外乎直接產(chǎn)

7、生PWM的專用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯限制器等.本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的連接幾個(gè)電阻電容,就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波,通過(guò)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(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM限制.UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示.圖2.5UG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù),實(shí)際上就是對(duì)全控型器件的保護(hù).所以重要的是怎么設(shè)計(jì)好對(duì)全控型器件的保護(hù)方案.在設(shè)計(jì)對(duì)全控型器件的保護(hù)系統(tǒng)中,主要是針對(duì)過(guò)電流保護(hù)和開關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù).本設(shè)計(jì)中,將通過(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)電路來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電

8、流保護(hù).2.4.1 IGBT的過(guò)流保護(hù)IGBT的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的1.21.5倍的過(guò)載保護(hù)；一類是高倍數(shù)可達(dá)810倍的短路保護(hù).對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng),可采用集中式保護(hù),即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流,當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比擬器翻轉(zhuǎn),封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖,使輸出電流降為零.這種過(guò)載電流保護(hù),一旦動(dòng)作后,要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作.IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流,能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān),隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng).通常采取的保護(hù)舉措有軟關(guān)斷和降柵壓2種.軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí),直接關(guān)斷IGBTo但是,軟關(guān)斷抗騷擾水平差,一旦檢測(cè)到

9、過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷,很容易發(fā)生誤動(dòng)作.降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí),馬上降低柵壓,但器件仍維持導(dǎo)通.降柵壓后設(shè)有固定延時(shí),故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值,那么降低了故障時(shí)器件的功耗,延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間,而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt,對(duì)器件保護(hù)十分有利.假設(shè)延時(shí)后故障信號(hào)依然存在,那么關(guān)斷器件,假設(shè)故障信號(hào)消失,驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài),因而大大增強(qiáng)了抗騷擾水平.2.4.2 IGBT開關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù)關(guān)斷IGBT時(shí),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)斷舉措,它的臨界電流下降率將到達(dá)數(shù)kA/s.極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較

10、高的過(guò)電壓,導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的平安工作區(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(duì)于IGBT的開通來(lái)說(shuō),集電極電路的6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(shí)驗(yàn)3.1仿真實(shí)驗(yàn)物理仿真需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、連接及調(diào)試工作,具投資大、周期長(zhǎng)、靈活性差、改變參數(shù)難、模型難以重用,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也不方便.但是計(jì)算機(jī)仿真卻可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題.只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以對(duì)不同的限制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究,而且進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作也比擬簡(jiǎn)單,

11、主要是限制系統(tǒng)的建模、限制方式確實(shí)立和計(jì)算機(jī)編程.專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)限制設(shè)計(jì)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)字限制和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究提供了強(qiáng)大的仿真環(huán)境.本設(shè)計(jì)的仿真模型圖如圖3.1所示.8I2219D2圖3.1仿真模型圖仿真模型圖中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(xiàng)導(dǎo)通,阻止電流反向流動(dòng),C2為電容,維持電阻R5端電壓恒定.R3為負(fù)載.電壓表XHM1用來(lái)測(cè)量流經(jīng)R3的電壓.XSC1為示波器,用于觀察信號(hào)發(fā)生器輸出端的PWM波形和負(fù)載電阻兩端的電壓波形.在仿真過(guò)程中,我將取輸入的直流電壓為Ud=24,改變電阻R5限

12、制脈沖電壓的占空比大小.當(dāng)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(fù)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(lán)色曲線為負(fù)載電阻端電壓.ShnulattedFoktrontM0sciJIokqdhb-XSCI0Q0圖3.3仿真結(jié)果當(dāng)占空比為a=0.84,Ud=24V是,得到輸出直流電壓Uo=91.2V圖3.4仿真結(jié)果Jcktronn：儲(chǔ)1筮|Tb<ZriZiIt科LiteIMPcs:ZteAL5TCSEFi11!i11stfIirwIiiq11sqiriP"-i1iiiiivtCH1OCMVM200M.忙六

13、'/000*Eimula依d"oktroriwOseIIoscope-XiCL圖3.5仿真結(jié)果如圖3.4為負(fù)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(lán)色曲線為負(fù)載電阻端電壓.當(dāng)占空比為a=0.93,Ud=24V是,得到輸出直流電壓Uo=100.2Vo圖3.6仿真結(jié)果*OsiillcicostX'iCloooao圖3.7仿真結(jié)果如圖3.6為負(fù)載電阻端電壓值,圖3.7中黃色矩形脈沖為信號(hào)發(fā)生器PWM波,藍(lán)色曲線為負(fù)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(dāng)占空為百分之九十三的時(shí)候負(fù)載電阻的端電壓到達(dá)了100v,由此

14、可知,該電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)直流升壓.再次觀察負(fù)載電阻端電壓的波形,我們發(fā)現(xiàn)負(fù)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(dòng)較小,簡(jiǎn)單比照,電壓脈動(dòng)在百分之一以內(nèi),因此,該電路設(shè)計(jì)可以到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求.當(dāng)我們改變負(fù)載電阻阻值后,當(dāng)阻值越大,電壓的脈動(dòng)越明顯.3.2仿真結(jié)論通過(guò)以上的仿真過(guò)程分析,可以得到以下結(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(guò)限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(duì)降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)行比擬,進(jìn)一步驗(yàn)證

15、了仿真結(jié)果的正確性.總結(jié)在本次課程設(shè)計(jì)中,我查閱了相關(guān)書籍、資料,首先對(duì)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(guò)限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(jìn)一步復(fù)習(xí)了直流斬波電路的根本類型,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(shí)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(diǎn),并在理解的根底上能對(duì)直流斬波電路進(jìn)行分析計(jì)算,加深了對(duì)直流斬波電路的掌握及應(yīng)用.通過(guò)這兩周的電力電子課程設(shè)計(jì),不僅對(duì)MATLA歆件有了進(jìn)一步的了解,對(duì)BUC解壓電路也有的深入的熟悉和理解.BUC峻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(guò)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.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(wèn)題都解決