Sepic電路課程設(shè)計(jì)說明書

1、課程設(shè)計(jì)書課程名稱：電力電子課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主題： Sepic電路的建模與仿真專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)： 2009級(jí)電氣(4級(jí))學(xué)位： 1名字：禧培正指導(dǎo)教師：郭紅霞華南理工大學(xué)電力學(xué)院2013年1月課程設(shè)計(jì)擔(dān)當(dāng)書一.主題Sepic電路建模仿真2 .任務(wù)建立Sepic電路方程，編制算法程序，進(jìn)行模擬，分析模擬結(jié)果，合理選擇電路中各元件參數(shù)。3 .要求課程設(shè)計(jì)說明書用A4紙印刷，采用裝訂成本的內(nèi)容包括方程式的編制、程序的編制、模擬結(jié)果的分析、曲線的生成、電路參數(shù)的分析、選定。V1=20-40VV2=26VI0=0 1AF=50kHZ指導(dǎo)老師的評(píng)論：導(dǎo)師：2013年月日目錄1 Sepic電路分析1

2、1.1 Sepic電路概要11.2原理分析11.3電力運(yùn)行狀態(tài)分析22 Sepic電路各元件的參數(shù)選擇72.1 Sepic電路參數(shù)初始值72.2電路各元件的參數(shù)決定73控制策略的設(shè)定114 Matlab編程模擬124.1基于狀態(tài)方程創(chuàng)建Matlab子例程124.2解決算法的基本想法134.3 Matlab解除Sepic電路主程序155通過分析模擬結(jié)果，合理地選擇電路參數(shù)L1、L2、C1、c225.1參數(shù)L1的決定185.2參數(shù)L2的確定205.3參數(shù)C1的決定215.4參數(shù)C2的決定225.5采用核對(duì)后的參數(shù)模擬24用Matlab分析Sepic斬波電路的性能246.1計(jì)算電感L2的電流IL2斷

3、開的次數(shù)246.2波動(dòng)系數(shù)的計(jì)算256.3電壓調(diào)整率256.4負(fù)載調(diào)整率266.5電路的擾動(dòng)分析277參考文獻(xiàn)301 Sepic電路分析1.1 Sepic電路介紹Sepic斬波電路是開關(guān)電源的六種基本DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)渲?，是允許輸出電壓大于和小于輸入電壓的DC/DC斬波電路。 其輸出電壓由主開關(guān)(晶體管或MOS管)的占空比控制。 SEPIC變換器是一種四階非線性系統(tǒng)，因其具有升降壓、同極性輸出、輸入電流波動(dòng)小、輸出容易擴(kuò)散等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于升降壓型直流變換電路和功率因數(shù)校正電路。 這種電路的最大優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出為同極性。 特別是在適合電池電源的用途時(shí)，允許電池電壓比所需的輸入電壓高還是低。 例

4、如，一臺(tái)鋰電池的電壓為3V 4.2V，負(fù)載需要3.3V的話，Sepic電路就能實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出的隔離由主電路上的電容器C1來實(shí)現(xiàn)。 還具備完全斷開功能，關(guān)閉開關(guān)管的話輸出電壓就變成0V。1.2原理分析Sepic斬波電路的電路圖如圖1所示。 由可控制開關(guān)q、存儲(chǔ)電感L1、L2二極管d、存儲(chǔ)電容器C1、平滑電容器C2、負(fù)載電阻r、控制電路等構(gòu)成。圖1、Sepic斬波電路的電路圖Sepic斬波電路的基本動(dòng)作原理是，當(dāng)開關(guān)管q被控制電路的脈沖信號(hào)觸發(fā)而導(dǎo)通時(shí)，V1L1Q電路C1QL2電路同時(shí)導(dǎo)通，存儲(chǔ)L1和L2。 v斷開時(shí)，V1-l1-C1-d-負(fù)載(C2和r )電路和L2D負(fù)載電

5、路同時(shí)接通，在該階段v1和L1一邊向負(fù)載供給電力一邊對(duì)C1充電，C1蓄積的能量在q接通時(shí)移動(dòng)到L2。Sepic斬波電路的輸入輸出關(guān)系由下式給出(1)圖2、SPEIC的開關(guān)波形(VQ1Q1漏極電壓)1.3電力運(yùn)行狀態(tài)分析在理想情況下的電路分析中，存儲(chǔ)電感L1、L2足夠大，其時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于開關(guān)的周期，存儲(chǔ)電感中流過的電流IL可以近似為線性。 電容器C1、C2也足夠大，能夠?qū)啥穗妷壕S持一定。 另外，開關(guān)管q及二極管具有理想的開關(guān)特性。 分析電路圖，可以：1.3.1 Q導(dǎo)通時(shí)的電路運(yùn)行分析MOSFET導(dǎo)通時(shí)的等效電路如圖2所示圖3、q導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖若q成為on，則輸入電源V1對(duì)L1充電，蓄電容C

6、1對(duì)L2充電，電容C2維持負(fù)載r的兩端電壓。 這個(gè)時(shí)候有(2)1.3.2 q off時(shí)的電路運(yùn)行分析MOSFET截止時(shí)的等效電路如圖2所示圖4、q截止時(shí)的等效電路圖q截止之后，電感器L1中所充電的電荷被放電到電容器C1，而電感器L2中所充電的電荷經(jīng)由二極管d被放電到負(fù)載。 這個(gè)時(shí)候有(3)1.3.3輸入直流電壓V1與輸出直流電壓V2的關(guān)系在穩(wěn)定時(shí)，1周期t內(nèi)電感l(wèi)的兩端電壓UL相對(duì)于時(shí)間的積分為零，即(4)當(dāng)q導(dǎo)通時(shí)，電感L1、L2兩端的電壓分別為、q截止時(shí)，電感L1、L2兩端的電壓分別為、 如果將數(shù)據(jù)代入式4(5)求解： (6)在穩(wěn)定狀態(tài)下，電容器c的電流的一個(gè)周期t內(nèi)的平均值為零，即，相對(duì)

7、于時(shí)間的積分為零，即(7)q導(dǎo)通時(shí)，電容器C1、C2中流過的電流分別為、q截止時(shí)，電容器C1、C2中流過的電流分別為、 如果將數(shù)據(jù)代入式7(8)求解： (9)從式6可以看出，通過控制占空比的大小，可以控制輸出電壓V2的大小。 也就是說在tontoff的情況下，0.5、V2V1、電路是升壓式的。1.3.4電路的狀態(tài)方程式從圖2和圖3可以看出，等效電路與開關(guān)q的狀態(tài)相關(guān)，所以Sepic斬波電路可以分為q導(dǎo)通狀態(tài)和q截止?fàn)顟B(tài)這兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。1)q接通時(shí)，系統(tǒng)的微分方程式如下(十)2)q斷開時(shí)，系統(tǒng)的微分方程式如下(十一)3 )在q截止時(shí)，電感器L1中所充電的電荷向電容器C1放電，電感器L2中所充

8、電的電荷經(jīng)由二極管d向負(fù)載放電，在該過程中，電感器電流有可能斷開。 由于電感器L1直接與電源連接，所以通常L1的電流不會(huì)斷續(xù)，因此以下主要研究電感器L2斷續(xù)后的微分方程式的變化。 在電感L2斷續(xù)之后，即，此時(shí)的微分方程式的組如下(十二)如果將其代入式10、11，則如下(十三)此處，u=1表示q處于導(dǎo)通狀態(tài)，u=0表示q處于關(guān)斷狀態(tài)。 u=0的同時(shí)命令表示在q關(guān)斷時(shí)電感器L2的電流斷開時(shí)的狀態(tài)。2 Sepic電路各元件的參數(shù)選擇2.1 Sepic電路參數(shù)初始值在主題中，設(shè)定輸入電壓V1=20-40V、輸出電壓V2=26V、負(fù)載電流I0=0 1A、開關(guān)管q的控制端的信號(hào)頻率F=50kHZ、即周期T

9、=2*10-5s。為了簡(jiǎn)化電路計(jì)算，更好地描述電路的工作狀態(tài)，進(jìn)行以下假設(shè)(1)電源電壓為40V時(shí)是最壞的狀態(tài)。(2)電路達(dá)到全電流1A。(3)無視開關(guān)管的正方向?qū)妷航岛投O管的正方向電壓降。(4)無視線路電阻和電磁振動(dòng)引起的能量損失。2.2電路各元件的參數(shù)確定2.2.1負(fù)載電阻RL的確定負(fù)載電阻RL由式14決定(十四)求出負(fù)載電阻RL=26.2.2.2電感L1、L2的決定SPEIC使用兩個(gè)電感L1和L2，這兩個(gè)電感與通過切換時(shí)段施加的電壓相同，因此可以卷繞在同一芯部上。 與使用兩個(gè)獨(dú)立電感相比，使用耦合電感可以在PCB上節(jié)省空間并降低成本。確定電感的一個(gè)好規(guī)則是在最小輸入電壓處使脈動(dòng)電流

10、的峰值約為最大輸入電流的40%。 數(shù)值相同的電感器L1和L2中流動(dòng)的脈動(dòng)電流通過下式計(jì)算出：電感用十五式求出(十五)f是開關(guān)頻率，max是最小Vin時(shí)的占空比。 因?yàn)榫S持電感工作的電感的峰值電流沒有飽和，所以可以用下式計(jì)算：如果L1和L2纏繞在相同的芯上，由于互感的作用，公式中的電感值被替換為2L。 電感值可以按如下方式計(jì)算：2.2.3蓄電容C1的決定存儲(chǔ)電容器C1的選定主要看RMS電流(有效電流)，從下式得到：SEPIC電容器必須承受與輸出功率有關(guān)的有效電流。 該特性特別適合于在電容中流動(dòng)的有效電流(關(guān)于電容技術(shù))較小的小功率應(yīng)用。 SEPIC電容器的額定電壓必須大于最大輸入電壓。 C1的脈

11、動(dòng)電壓的峰值可以如下計(jì)算：(十六)取得=0.4V取得=28.261uF。 滿足所需有效電流的電容器，由于C1中不產(chǎn)生太大的波動(dòng)電壓，所以峰值電壓通常接近輸入電壓。2.2.4濾波電容C2的確定在SEPIC中，當(dāng)電源開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)電感被充電，并從輸出電容器供給輸出電流。 因此，輸出電容器會(huì)產(chǎn)生大的脈動(dòng)電流。 選定的輸出電容器必須能提供最大的有效電流。 輸出電容器的有效電流如下所示圖5，輸出脈動(dòng)電壓ESR、ESL和大容量輸出電容器直接控制輸出脈動(dòng)。 如圖4所示，因?yàn)榧僭O(shè)一半波動(dòng)與ESR相關(guān)聯(lián)，而另一半與容量相關(guān)聯(lián)(十七)輸出電容器必須滿足有效電流、ESR和容量的需要。脈動(dòng)電壓取2%的輸出電壓2.2.

12、5輸出二極管的選定選擇能承受峰值電流和反電壓的二極管。 在SPEIC中，二極管的峰值電流與開關(guān)的峰值電流IQ1peak相同。 二極管必須承受的最小逆峰值電壓如下所示。VRD1=Vin Vout=66V (18 )和升壓轉(zhuǎn)換器一樣，二極管的平均電流與輸出電流相同。 二極管的功耗等于輸出電流乘以二極管的正向電壓降。 為了提高效率，我建議你使用肖特基二極管。2.2.6功率MOSFET的選定最小閾值電壓Vth(min )、導(dǎo)通電阻RDS(ON )、柵極漏電荷QGD和最大漏極電壓VDS(max )是選擇MOSFET的重要參數(shù)。 邏輯電平或子邏輯電平的閾值MOSFET必須根據(jù)柵極電壓來使用。 峰值開關(guān)電壓

13、等于Vin Vout。 峰值開關(guān)電流通過下式計(jì)算：(十九)開關(guān)中流動(dòng)的RMS電流由下式給出：(20 )MOSFET的功耗QP1大致如下。(21 )PQ1、MOSFET的總消耗功率有導(dǎo)通損失(上式第1項(xiàng))和開關(guān)損失(上式第2項(xiàng))。 IGATE是柵極驅(qū)動(dòng)電流。 RDS(ON )值應(yīng)該選擇最大動(dòng)作結(jié)溫度時(shí)的值，一般記載在MOSFET的手冊(cè)中。 導(dǎo)通損失和開關(guān)損失不要超過封裝的額定功率，也不要超過散熱設(shè)備的極限。2.2.7編程計(jì)算所需的參數(shù)下面的編程計(jì)算所需的電路參數(shù)如表1所示表1、Sepic斬波電路的各元件參數(shù)值電路元件負(fù)載電阻()電感L1(mH )電感器L2(mH )電容器C1(F )電容器C2(

14、F )頻率F(kHZ )數(shù)值260.4350.43528.26143.480503控制策略的設(shè)定可以看出V2=26V、V1=2040V，也就是說=0.3940.565。 V1初始值是40V，即占空比的初始值是0.394 .由于輸入不穩(wěn)定，為了得到穩(wěn)定的輸出，有必要制定與占空比對(duì)應(yīng)的控制策略。本例中采用的控制策略是在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)將占空比d(i )調(diào)整為一定，滿足下式(22 )這里，k取0.00003，每次計(jì)算的輸出電壓v2、26是理想輸出電壓。即，當(dāng)向正方向調(diào)整占空比時(shí)，占空比變大，從式可以看出，輸出的增大即與26的差變小。相反，在負(fù)方向調(diào)整占空比時(shí)，占空比減小，輸出也減小，使輸出接近26。根據(jù)以上的分析，只要k的值足夠小，循環(huán)次數(shù)n就足夠大，并且輸出電壓可以穩(wěn)定在26V附近。 k的取值越小精度就越高，但要求在