升、降压斩波电路及仿真.docx

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目录绪论3一.降压斩波电路6二.直流斩波电路工作原理及输出输入关系12三.De/DC变换器的设计18四.测试结果19五.直流斩波电路的建模与仿真29六.课设体会与总结30七.参考文献31 绪论1.电力电子技术的内容电力电子学，又称功率电子学(PowerElectronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。电有直流(DC)和交流(AC)两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换。变换器共有四种类型：交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。这是与整流相反的变换，也称为逆变。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。交-交(AC-AC)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。直流-直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。 1.电力电子技术的发展在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。与这些旋转式的交流机组比较，利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。1957年第一只晶闸管一也称可控硅(SCR)问世后，因此，自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件(亦称自关断型器件)，如：门极可关断晶闸管(GTO)、双极型功率晶体管(BJT/GTR)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动力。2.电力电子技术的重要作用(1)优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查, 潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%,所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%,我国已许多装置列入节能的推广应用项目。(2)改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3)电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小儿倍、儿十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4)电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。1.电力电子技术课程的学习要求(1)熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。(2)熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。(3)了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。(4)了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。 (5)掌握基本实验方法与训练基本实验技能。摘要介绍了一种新颖的具有升降压功能的DC/DC变换器的设计与实现，具体地分析了该DC/DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC/DC变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果关键词：DC/DC变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM；直流脉宽调速降压斩波电路1.1降压斩波原理：式中心为V处于通态的时间；h为V处于断态的时间；T为开关周期；a为导通占空比，简称占空比火导通比。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间口不变，称为PWM。2)保持开关导通时间口不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。3)总和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 1.2工作原理1）片0时刻驱动V导通，电源晌负载供电，负载电压〃o=£,负载电流io按指数曲线上升 2)片八时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压"0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感工值较大•基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析•从能量传递关系出发进行的推导•由于/为无穷大，故负载电流维持为历不变•电源只在V处于通态时提供能量，为•在整个周期珅，负载消耗的能量为(R/°T+E./°T)一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等tet—=ME=aE输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器该电路使用一个全控器件V,途中为IGBT,也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况句会出现反电动势。在具有升降压功能的非隔离式DC/DC变换器中，Buck-Boost变换器和Cuk变换器是负极性输出，Sepic变换器和Zeta变换器是正极性输出，但这两个变换器结构复杂,都需要两个储能电感，这必然导致变换器的损耗增加、效率变低，且体积和质量大，弓I。本文针对实际研究项目中提出的要求，摒弃采用上述各种变换器，设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的DC/DC变换器，并采用该DC/DC变换器研制出达到技术指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用价值。 直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。PWM控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT)等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器(PulseWidthModulated),已逐步发展成熟，用途越来越广。调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制系统具有反馈环节。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat) 的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。仅有这些固有部分所组成的系统是难以满足生产机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的,为了设计一个静态，动态都适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须对系统进行校正。也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加一个校正环节,使系统的动态性能也能达到指标的要求。本文中的双闭环可逆PWM调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调的PWM波，它的内部包括误差放大器，限流保护环节，比较器,振荡器,触发器,输出逻辑控制电路和输出三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器，输出级是由IGBT构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。由于电路有开关频率高的特点，所以直流脉宽调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽，开关频率高,电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高,系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等二.直流斩波电路工作原理及输出输入关系2.1升压斩波电路(BoostChopper) 升压斩波电路假设L和C值很大。处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定,；，电容C向负载R供电，输出电压/恒定。断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。设V通态的时间为以，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为加，则此期间电感L释放能量为(m0-E)i/稳态时，一个周期7中L积蓄能量与释放能量相等：印"”=(“0-功“化简得u0=^^E=—E“foff———升压比；升压比的倒数记作£，即夕=二£和。的关系：。+6=1所以输出电压为1L1kun=—E=E°pl-a2.2升降压斩波电路(buck-boostChopper)C==u 升降压斩波电路V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为「同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电，这时乙=E。V断时，L的能量向负载释放，电流为力。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时稳态时，一个周期/内电感L两端电压均对时间的积分为零，即所以输出电压为:（心为V处于通态的时间，物为V处于断态的时间）三.Dc/DC变换器的设计2.1变换器拓扑结构图1所示是设计新颖的DC/DC变换器的拓扑结构。该DC/DC变换器为前后级串联结构，前级是由Tl、T3、DI、D、I、C、RI、R构成降压变换电路，后级是由T、D、I、C构成升压变换电路，其中Dz、I、C均出现在前、后级变换电路中。 图1新颖的DC/DC变换器的原理图从图1中可以看出，采用PWM方式控制两个主开关管T。、Tz存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。为此，在图1所示的主变换电路中增加了辅助开关管T1,且T。由NPN型改为PNP型，显然T。、T是共地的，T、T3是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。这样，原本通过控制T。、To来控制电路的工作状态，现在是通过T、T来控制，T。称为降压斩波辅助开关，T。称为升压斩波主开关、To称为降压斩波主开关。工作模式的分析假设所用电力电子器件理想、电感和电容均为无损耗的理想储能元件以及不计线路阻抗，且变换器始终处于电流连续的状态。该DC/DC变换器有两种典型的工作模式——降压工作模式和升压工作模式，下面分别来分析这两种工作模式。1.2.1降压工作模式当T截止，T以PWM方式工作，变换器处于降压工作模式。此时，变换器与Buck变换器相比仅仅是多了一个二极管Dz,而这一个二极管的加入对Buck变换器的工作无任何影响。因此，处于降压工作模式的变换器等效于Buck变换器，相应的电压变换关系为:^-=a(1)5式中：Ui——输入电压；Uo——输出电压；T的占空比。升压工作模式当T全导通，T以PWM方式工作，变换器处于升压工作模式。此时，变换器与Boost变换器相.比多了一个全导通的开关管T。和一个二极管D, 而这两个器件的加入对Boost变换器的工作无任何影响。因此，处于升压工作模式的变换器等效于Boost变换器，相应的电压变换关系为：匕=—1-(2)U,1-。式中：Ui输入电压；Uo输出电压；0—T2的占空比。由此可见，该DC/DC变换器是将Buck和Boost两个变换器串联起来,通过对两个开关管T、To的配合控制获得降压工作模式和升压工作模式，从而实现升降压功能和正极性输出。在理想情况下，变换器的电压变换关系为：当处于降压工作模式2=—1当处于升压工作模式q-p储能电感参数的设计由图1的拓扑结构可知，该DC/DC变换器只有一个储能元件——储能电感L,所以L必须能适应降压和升压两种不同的工作模式，以使变换器无论处于哪一种工作模式，L都能存储足够的能量，从而在以PWM方式工作的斩波开关截止时能提供给负载连续的电流。因此，L是该DC/DC变换器的关键元件，其参数的选取直接影响到变换器能否正常工作。考虑最典型的情况，假设输入电压的变化范围为，且当时，变换器处于降压工作模式；当4=4^时，，变换器处于升压工作模式。所以，根据公式(1)Ug,Uo,可以得到T1的最小占空比%,n；根据公式(2)、Umin和Uo,可以得到T。的最大占空比。由于a*，4ax分别代表了L在两种工作模式下的极端工作状态，因此可以通过分别计算这两个工作状态下的电感量，并取其中的大者作为L 的设计参数，贝扎就能同时满足两种工作模式的要求，。具体设计步骤如下：(D当处于极端降压工作状态：(a-am,n，夕=0)时，电感量1的计算公式：h=max(%产・am1n.T,券.(1一总)・T)⑷(2)当处于极端升压工作状态：(a=1,0=心x)时,电感量lz的计算公式：h=max(%=・・T,叼Um.Q.7)AlAl/(5)(3)取乙、/2中的大者作为L的设计电感量Z,即：I=max(Zi,Z2)(6)式中：热——储能电感电流允许的波动峰一峰值；T-开关周期。2.2DC/DC变换器控制系统的原理和实现控制原理图2所示是该DC/DC变换器控制系统的控制原理框图4,其应用背景是卫星储能/姿控两用飞轮能量回馈系统。控制系统采用电压、电流双闭环串级控制结构，外环是电压环，内环是电流环。控制原理是电压给定U与电压反馈U进行比较，得到的电压误差经电压调节器输出作为电流给定，r与电流反馈I进行比较，得到的电流误差经电流调节器输出对应PWM波的脉冲宽度,然后经PWM控制决定分配给哪个开关管，之后PWM波通过驱动电路驱动DC/DC变换器中相应的开关管工作 图2控制使理框图以上的双闭环控制是针对工作在PWM方式下的开关管而言。由于变换器采用的是两个开关管的配合控制，两种不同的工作模式就对应两种不同的PWM开关方案，因此必须设计相应的控制逻辑分配单元来实现这两种开关方案，这在图2中以PWM控制单元表示。2.2控制实现控制系统的设计可以采用模拟控制方案和数字控制方案，这里以模拟控制方案阐述该DC/DC变换器控制系统的实现，如图3所示。检控制电路由两级PI调节器、PWM波产生电路、驱动电路、故障测与保护电路等组成。两级PI调节器是控制电路的核心控制单元，两级均为带限幅输出的PI调节器，前级是电压调节器，后级是电流调节器，前后级串联构成了以输出电压为主控制对象、输出电流为副控制对象的双闭环控制系统。电压环的作用是稳定输出电压,在输入电压或负载扰动作用下保证输出稳定。电流环是在稳态时跟随电压环，从 而使系统动态响应快，调节性能好，也易于实现限流和过流保护。由于电压调节器的输出作为电流调节器的给定，故电压调节器的限幅值决定了电流调节器的最大输出电流。此外，电流调节器的限幅值限制了最大输出电压，防止了输出电压过高的非正常状态，从而保证了系统的安全可靠。PWM波产生电路负责两种PWM开关方案的实现，以满足变换器降压工作模式和升压工作模式的要求。由于需要产生两路控制信号，因此必须配合主变换电路进行特殊的电路设计，以解决控制逻辑的分配问题。如图3所示，电流调节器输出送到比较器IC、IC2同相端，由一个三角波发生器产生的三角波送到反相端，两路信号相比较叠加获得PWM波。分析可知，两种不同的PWM开关方案可以通过对送到比较器IC、IC4反相端的三角波加上不同的偏移电压和来实现。当电流调节器输出电压低于5V时，比较器IC与三角波有交点，输出PWM波，该波形用于驱动T,而比较器IC4与三角波没有交点，故无脉冲输出，T2截止；当电流调节器输出电压高于5V时，比较器IC4与三角波有交点，输出PWM波，该波形用于驱动T,而比较器IC输出高电平，T1处于全导通状态；而且,降压工作模式和升压工作模式的切换是平滑过渡的。这样，就得到了逻辑上合乎要求的两路控制信号，然后再经驱动电路去驱动两个开关管T1和T2。为了提高系统的可靠性，还设计了故障检测与保护电路，包括过流保护、过压保护、过热保护等。这主要利用比较器对电流、电压、温度等的检测值与设定的保护值比较，一旦发生超限现象，立即产生相应的保护动作。四.测试结果根据上述控制原理和实现方案，研制出采用该DC/DC变换器作为主变换电路的直流开关电源(主要设计条件与要求：输入电压12〜40V、输出电压28V、额定功率200W及效率285%等)。该直流开关电源主要指标的测试结果如下：(1)输入电压允许范围：在输入电压为10〜40V的范围内，输出电压保持稳定；(2)输出电压：在50%负载条件下，平均输出电压为28.01V,输出电压稳定度W0. 04；(3)电压调整率：在各种负载条件下，电源电压调整率W0.18；(4)负载调整率：以50%负载为基准，负载电压调整率＜0.14；(5)输出电压纹波：当负载电流为3.6A时，输出电压纹波峰一峰值(Up-p)(=250mV,如图4(a)；(6)负载能力：当输出电流达到7.5A时，输出电压仍保持稳定，对应功率2200w；(7)效率：采用电阻性负载时，测试效率为87%；(8)动态响应：系统对输入电压和负载的突变能及时快速地响应，图4(b)所示为负载突变时的动态响应波形。测试结果表明，该直流开关电源具有良好的稳态性能和动态特性，各项主要技术指标达到或超过卫星储能/姿控两用飞轮能量回馈系统研制项目所规定的指标要求。结论：这里对一种新颖的DC/DC变换器的设计和实现进行了论述，采用该DC/DC变换器作为主变换电路的直流开关电源具有以下特点：(1)变换电路拓扑结构简单，具有明确的工作模式，易于实现模拟或数字控制。(2)采用电压、电流双闭环控制方式，获得较高的稳态精度和良好的动态性能。(3)具有升降压功能，正极性输出，源效应好，能适应大范围的输入电压变化。(4)仅有一个储能电感，具有可靠性高、效率高、体积小及质量轻等特点。(5)功率容量500W以下，尤其适合作为卫星储能/姿控两用飞轮能量回馈系统、电动机制动再生能量回馈系统、风力发电系统和太阳能发电系统等电能变换系统的直流变换环节。五.直流斩波电路的建模与仿真 5.1仿真模型及参数设置(1)由IGBT构成直流降压斩波电路(BuckChop-per)的建模和参数设置 图2为由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型，IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路，即Rs=5CQ,Cs=O；电压源参数取Us=200V,E=80V；负载参数取R=10C,L=5mHo困2由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型(2)直流降压斩波电路的仿真打开仿真参数窗口，选择。de23tb算法，相对误差设置为le-03,开始仿真时间设置为O,停止仿真时间设置为0.01s,控制脉冲周期设置为0.001s(频率为1000Hz),控制脉冲占空比为50%。参数设置完毕后，启动仿真，得到图3的仿真结果。 图3由IGBT组成的Buck直流变换器仿真结果由图3可以看出，负载上电压分别为100V,160V,80V,满足U。=墨Ud=DUdo5.1直流升降压斩波电路(.Boost-BuckChopper)的仿真升降压斩波电路输出电压平均值为： (2)Uo=-孑Ud=-^756ZoffL—U式中：负号表示输出电压与输入电压反相。当D=0.5时，Uo=Ud；当D>0.5时，Uo>Ud,为升压变换；当D<0.5时，u。