直流斬波PWM控制Matlab仿真.

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 直流斬波PWM控制Matlab仿真初始條件：輸入200V直流電壓。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）1、要求得到0100V直流電壓。2、在Matlab/simulink中建立電路仿真模型；3、對(duì)電路進(jìn)行仿真；4、得到結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；時(shí)間安排：課程設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周，將其分為三個(gè)階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計(jì)資料，此階段約占總時(shí)間的20%。第二階段：根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計(jì)計(jì)算。第三階段：完成設(shè)計(jì)和文檔整理，約占總時(shí)間的

2、40%。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄摘要11 概述及設(shè)計(jì)要求21.1 概述21.2 設(shè)計(jì)要求22 降壓斬波電路拓?fù)浞治?2.1 降壓斬波器基本拓?fù)?2.2 buck開(kāi)關(guān)型調(diào)整器拓?fù)浞治?2.3 降壓斬波電路的重要參數(shù)計(jì)算方法42.3.1 buck調(diào)整器的效率42.3.2 buck調(diào)整器的理想開(kāi)關(guān)頻率42.3.3 輸出濾波電感的選擇52.3.4 輸出濾波電容的選擇53 電路設(shè)計(jì)63.1 buck主電路設(shè)計(jì)63.2 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)73.3 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)83.4 系統(tǒng)工作總電路84 Matlab建模仿真及分析94.1 Matlab仿真模型的建立94

3、.2 Matlab仿真結(jié)果及分析10結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)15摘要隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源因其體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓，大電流和高效率的開(kāi)關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。斬波器的工作方式有脈寬調(diào)制方式（Ts不變改變ton）和頻率

4、調(diào)制方式（ton不變改變Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產(chǎn)生干擾。本次設(shè)計(jì)要求對(duì)直流斬波電路進(jìn)行Matlab仿真，得到仿真結(jié)果，并加以分析，利用Matlab的sinulink工具箱來(lái)完成仿真任務(wù)。若想得到穩(wěn)定的電壓輸出，要進(jìn)一步研究PWM調(diào)節(jié)方式，通過(guò)施加反饋系統(tǒng)，得到穩(wěn)定的輸出電壓。關(guān)鍵字：降壓斬波 Matlab仿真 PWM調(diào)節(jié)1 概述及設(shè)計(jì)要求1.1 概述在電力電子技術(shù)中，將直流電的一種電壓值通過(guò)電力電子變換裝置變換為另一種固定或可調(diào)電壓值的變換，稱為直流直流變換。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。直流斬波PWM控制

5、技術(shù)是采用脈寬調(diào)制技術(shù)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的通斷的占空比的控制來(lái)達(dá)到改變輸出電壓的目的?；镜耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中降壓斬波電路（buck）和升壓斬波電路（boost）是應(yīng)用最多也是最廣泛的。根據(jù)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，下面將對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)及利用matlab軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。1.2 設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求輸入200V直流電壓，采用PWM斬波控制技術(shù)，得到得到0100V直流電壓。并且建立Matlab仿真模型，對(duì)電路進(jìn)行分析，得到結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。2 降壓斬波電路拓?fù)浞治龈鶕?jù)題目要求，本設(shè)計(jì)采用降壓斬

6、波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)題目所要求的指標(biāo)。2.1 降壓斬波器基本拓?fù)?圖1 buck電路基本拓?fù)銪uck斬波電路如下圖1所示，假設(shè)電路中電感L值、電容C值很大，當(dāng)可控開(kāi)關(guān)V開(kāi)通時(shí)，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)可控開(kāi)關(guān)V關(guān)閉時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流按指數(shù)曲線下降。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，設(shè)V通的時(shí)間為ton，。V關(guān)斷的時(shí)間為，則負(fù)載電壓的平均值為 其中T為開(kāi)關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比。2.2 buck開(kāi)關(guān)型調(diào)整器拓?fù)浞治鰣D2 buck開(kāi)關(guān)型調(diào)整器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于圖2所示的buck基本拓?fù)洌瑢儆陂_(kāi)環(huán)控制

7、，實(shí)際應(yīng)用中如果出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)，可能造成輸出電壓不穩(wěn)，無(wú)法正常工作。而加入如圖2-2所示的反饋調(diào)節(jié)電路，可是輸出電壓穩(wěn)定。反饋過(guò)程如下：采樣電阻R1和R2檢測(cè)出，并將其輸入誤差放大器（EA）與參考電壓進(jìn)行比較。被放大的誤差電壓被輸入到電壓比較器PWM中。PWM比較器的另一端輸入是周期為T的鋸齒波，其幅值一般為3V。PWM電壓比較器產(chǎn)生矩形波脈沖（從鋸齒波起點(diǎn)開(kāi)始到鋸齒波與誤差放大器輸出電壓交點(diǎn)結(jié)束）。因此，PWM輸出的脈沖寬度與誤差放大器輸出電壓成比例。PWM脈沖輸入到電流放大器并以負(fù)反饋方式控制開(kāi)關(guān)管Q1的通斷。若輸入電壓E稍升高，則EA輸出電壓將降低使鋸齒波與交點(diǎn)提前，Q1導(dǎo)通時(shí)間將縮短使輸

8、出電壓維持不變，同理，當(dāng)E下降時(shí)，增大，使維持穩(wěn)定。2.3 降壓斬波電路的重要參數(shù)計(jì)算方法2.3.1 buck調(diào)整器的效率針對(duì)圖2-2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析buck調(diào)整器的效率如下：電路的所有損耗只是Q1和D1的導(dǎo)通損耗加上Q1的交流開(kāi)關(guān)損耗。Q1導(dǎo)通瞬間，Q1上升電流和下降電壓有重疊，會(huì)造成導(dǎo)通損耗。而在Q1關(guān)斷瞬間，下降電流和上升電壓有重疊，會(huì)造成關(guān)斷損耗。設(shè)直流輸出電流為，由于在很寬的電流范圍內(nèi)，Q1和D1的導(dǎo)通壓降近似為1V，所以導(dǎo)通損耗可表達(dá)為 若忽略交流開(kāi)關(guān)損耗，則效率為 此公式是用于粗略的估計(jì)buck電路的效率，如果需要精確計(jì)算buck電路的效率，則還需進(jìn)一步的計(jì)算交流開(kāi)關(guān)損耗及了解

9、開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。2.3.2 buck調(diào)整器的理想開(kāi)關(guān)頻率buck調(diào)整器的開(kāi)關(guān)頻率的選擇問(wèn)題有兩面需要考慮，一方面，適當(dāng)?shù)奶岣唛_(kāi)關(guān)頻率，可以減小電感和電容的體積，但另一方面，因?yàn)榻涣鲹p耗與開(kāi)關(guān)周期T成反比?？s短周期會(huì)使損耗增大，則開(kāi)關(guān)管需要更大的散熱器以限制其升溫。綜上所述，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)高，一般在數(shù)十Hz到數(shù)百Hz之間。2.3.3 輸出濾波電感的選擇電感的大小選取對(duì)電路的性能影響很大，它決定了buck電路是工作在連續(xù)模式和不連續(xù)模式，對(duì)于有些帶buck型輸出濾波器的拓?fù)鋾?huì)在不連續(xù)模式下出現(xiàn)問(wèn)題。一般設(shè)計(jì)電感值時(shí)，應(yīng)保證直到輸出最小規(guī)定電流的十分之一時(shí)，電感電流也保持連續(xù)。同時(shí)要保證電

10、感在電流稍大時(shí)不出現(xiàn)明顯飽和。計(jì)算公式如下： 為輸入電壓額定值，為輸出電流額定值2.3.4 輸出濾波電容的選擇圖3 非理想電容等效電路圖實(shí)際所用電容并非理想電容，它可以等效為電阻和與其串聯(lián)等效，稱為等效串聯(lián)電阻（ESR）, 稱為等效串聯(lián)電感（ESL），在300KHz一下頻率可以被忽略，輸出紋波僅由和決定。決定的紋波分量與電感斜坡峰-峰值成正比，而由決定的紋波分量與流過(guò)電流的積分成正比。為估算紋波分量并選擇電容，必須要知道的值。一般近似認(rèn)為的值近似為常數(shù)，為5080一般先假設(shè)出電阻紋波分量，再由以下公式計(jì)算出 然后根據(jù)的平均值（通常取65）來(lái)求解，即3 電路設(shè)計(jì) 圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3.1 bu

11、ck主電路設(shè)計(jì) 圖5 buck主電路原理圖降壓斬波電路，電路工作在開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)，所以二極管要選用快恢復(fù)二極管或肖特基二極管，本設(shè)計(jì)選用MUR8100，它的反向阻斷恢復(fù)時(shí)間僅為50ns，完全滿足設(shè)計(jì)要求。由于本設(shè)計(jì)只對(duì)電壓有要求，而對(duì)電流和功率均無(wú)要求，所以對(duì)于電感和濾波電容的選取條件較為寬松，對(duì)于電感參數(shù)的確定，假設(shè)額定輸出電流=10A，開(kāi)關(guān)頻率選為50K，則T=0.02s 則：在此選用680uH的電感。電容參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：假設(shè)由電容等效串聯(lián)電阻引起的紋波電壓為100mV，則由公式可得：本設(shè)計(jì)中考慮裕量，選用2000uF的電容，且采用兩個(gè)1000uF的電容進(jìn)行并聯(lián)，可降低電容的等效串聯(lián)電阻

12、，進(jìn)而減小由等效串聯(lián)電阻引起的紋波。3.2 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì) 圖6 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用TL494作為脈寬調(diào)制電路的主要芯片，TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外內(nèi)部集成了兩個(gè)誤差放大器，功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被通過(guò)，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。如圖6所示電路，TL494共有兩個(gè)誤差放大器，當(dāng)只使用其中一個(gè)時(shí)，要將另一個(gè)誤差放大器的反相輸入端引腳接高電平，同相輸入端引腳接低電平，這樣可將此誤差放大器屏蔽掉，

13、避免影響工作的誤差放大器。（因?yàn)閮蓚€(gè)誤差放大器連接方式為輸出端接二極管后相連的結(jié)構(gòu)）。此外，在本設(shè)計(jì)中，利用、與誤差放大器構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器， 可以進(jìn)一步減小輸入電壓與參考電壓的偏差，更好地起到輸出電壓追蹤參考電壓的作用。工作過(guò)程為：設(shè)置參考電壓，將采樣回來(lái)的電壓與參考電壓輸入誤差放大器，誤差放大器輸出的偏差電壓與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，不同的偏差電壓與鋸齒波的交點(diǎn)不同，這樣就形成了不同占空比的PWM波用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，偏差電壓越小，則占空比越大，形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)，維持輸出電壓穩(wěn)定。其中振蕩頻率由和決定，由公式計(jì)算得： 3.3 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 圖7 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 當(dāng)設(shè)計(jì)中用IGBT或

14、功率MOSFET時(shí)，通常需要設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)電路，IR2110驅(qū)動(dòng)芯片采用高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，特別適用于驅(qū)動(dòng)橋式電路，采用自舉法實(shí)現(xiàn)高壓浮動(dòng)?xùn)艠O雙通道驅(qū)動(dòng)，因此可以驅(qū)動(dòng)500 V以內(nèi)的同一相橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，減小了裝置體積，節(jié)省了成本。它允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)50 V/s，極大地減小了功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，圖騰柱輸出電壓可達(dá)2A,基本滿足常用功率MOS管的驅(qū)動(dòng)功率要求。3.4 系統(tǒng)工作總電路圖8 系統(tǒng)工作電路圖4 Matlab建模仿真及分析4.1 Matlab仿真模型的建立本設(shè)計(jì)借助于Matlab的sinulink工具箱來(lái)實(shí)現(xiàn)buck電路的建模。圖9為未帶反饋的buck電路模型圖。圖9

15、為未帶反饋的buck電路模型圖。該電路中開(kāi)關(guān)器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脈沖生成器Pulse Generator產(chǎn)生，Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜單Sources類別中。在繪制仿真圖時(shí)，打開(kāi)Simulink Library Browser，可以在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，如Pulse Generator，雙擊查找。找到元件后直接將其拖到新建Model文件窗口中即可。IGBT和二極管，選擇SimPowerSystems下拉菜單Power Electronics類別中的IGBT

16、和Diode。電阻、電感和電容元件，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的Series RLC Branch，放入窗口后，雙擊該圖標(biāo)，在Branch Type中選擇相應(yīng)類型，如電阻選R，電感選L，電容選C，選擇完畢后單擊OK按鈕。放齊元件后，按升降壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應(yīng)在輸出端加上電壓測(cè)量裝置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜單Commonly Used Blocks類別中選擇Scope，即示波器，以觀測(cè)輸出電壓波形。在不帶反饋的Buck模型下，記錄下仿真的輸出電壓波形。 圖10 帶反饋buck電路模型圖本模型

17、的建立利用PWM控制原理，利用simulink庫(kù)里面的減法器模擬誤差放大器，在constant模塊里設(shè)定的常數(shù)模擬參考電壓，因simulink中沒(méi)有專門的比較器，故利用一個(gè)減法器和一個(gè)選擇開(kāi)關(guān)模擬比較器，結(jié)合buck開(kāi)環(huán)模型構(gòu)成了帶反饋?zhàn)哉{(diào)整的buck模型。4.2 Matlab仿真結(jié)果及分析因?yàn)檩斎腚妷簽?00伏，仿真過(guò)程中控制占空比為50%，則輸出電壓為100V,下面將對(duì)輸出電壓為100V時(shí)，未加反饋和加反饋的buck電路進(jìn)行對(duì)比分析。圖11 未加反饋的仿真結(jié)果圖 圖12 加反饋的仿真結(jié)果圖將圖11和圖12進(jìn)行對(duì)比可得出，兩個(gè)電路在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有短暫的過(guò)電壓過(guò)程，這在設(shè)計(jì)電路時(shí)要加過(guò)壓保護(hù)電路。

18、且過(guò)電壓峰值基本相同，說(shuō)明施加反饋的過(guò)程中沒(méi)有改變超調(diào)量，但可以看出，施加反饋環(huán)節(jié)大大地縮短了輸出電壓的調(diào)節(jié)時(shí)間，且使輸出更穩(wěn)定，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，我們要盡量設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)往往對(duì)干擾的抑制能力有限，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。適當(dāng)?shù)氖┘忧‘?dāng)?shù)姆答仯欣诟纳葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖13 流過(guò)電感的電流波形圖14 流過(guò)二極管的電流波形圖15 輸出電流波形 對(duì)比以上三幅圖，圖13為流過(guò)電感的電流波形，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通壓降為零，加在電感上的電壓就為輸入與輸出電壓之差，由于電感上的電壓恒定，所以流過(guò)電感的電流線性上升，且斜率為，使得電感電流為右階梯的斜坡。而圖14所示為續(xù)流二極管的電流波形，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流轉(zhuǎn)移流向二極管，此時(shí)電感兩端電壓的極性相反，電感中的電流線性下降且斜率為，所以波形為圖14所示的下降的階梯斜坡。由電路工作過(guò)程分析及三幅波形圖的