直流升降压变换器设计与仿真

沈阳理工大学课程设计论文11绪论电力电子学,又称功率电子学。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。为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。斩波电路(DCChopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器(DC/DCConverter)。直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。应用Multisim建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了较详细的仿真分析。本文分析了升降压斩波电路的工作原理，又用Multisim对升压-降压变换器进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。沈阳理工大学课程设计论文22直流升降压斩波电路工作原理及输入输出关系2.1升降压斩波电路工作原理图2.1所示为升降压斩波电路（Buck-BoostChopper）原理图及波形图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒指。a)原理图b)波形图图2.1升压/降压斩波电路的原理图及波形图该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为I1，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，沈阳理工大学课程设计论文3电流为I2，方向如图1所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压Lu对时间的积分为零。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ont不变，称为PWM。2、保持开关导通时间ont不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。3、ont和T都可调，使占空比改变，称为混合型。（1）V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。（2）V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。2.2输入输出关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即：00tTLdu当V处于通态时，EuL；当V处于断态时，oLuu；于是：offontUEt0所以输出电压为：EEtTtEttUononoffon10由此可见，改变导通占空比α，就能够控制斩波电路输出电压U。的大小。当0α1/2时为降压，当1/2α1时为升压，故称作升降压斩波电路。图（3）b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offonttII21由上式可得：1121IIttIonoff沈阳理工大学课程设计论文4如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则：21IUEIo其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。本电路中的主要功率器件必须是全控型。常见的全控型器件有：GTO,GTR,MOSFET,IGBT四种，与其他全控型器件相比，IGBT有开关速度快，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小等优点，所以本设计采用IGBT。IGBT的中文名称是绝缘栅双极晶体管，它是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极F，其内部结构图如图2.2所示。图2.2IGBT内部结构图IGBT与MOSFET相比多一层P+注入区，具有很强的导电能力。其静态特性如图2.3所示。图2.3IGBT静态特性图2.3控制电路设计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变换器控制系统的设计，如图2.4所示。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)沈阳理工大学课程设计论文5图2.4控制实现框图控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等。本设计采用直接产生PWM的专用芯片UG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。UG3525内部结构图如图2.5所示。图2.5UG3525内部结构图沈阳理工大学课程设计论文62.4保护电路设计在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对全控型器件的保护。所以重要的是怎么设计好对全控型器件的保护方案。在设计对全控型器件的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。本设计中，将通过设计保护电路来对IGBT进行过电压保护和过电流保护。2.4.1IGBT的过流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。2.4.2IGBT开关过程中的过电压保护关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的沈阳理工大学课程设计论文7电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率沈阳理工大学课程设计论文83直流升降压电路仿真实验3.1仿真实验物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以很好的解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。专门为电力电子和电动机控制设计的一款仿真软件。它可以快速的仿真和便利的和用户接触，为电力电子，分析和数字控制和电动机驱动系统研究提供了强大的仿真环境。本设计的仿真模型图如图3.1所示。图3.1仿真模型图仿真模型图中V2是电压源，提供24V的直流电压。L为电感，D2为电力二极管，单项导通，阻止电流反向流动，C2为电容，维持电阻R5端电压恒定。R3为负载。电压表XHM1用来测量流经R3的电压。XSC1为示波器，用于观察信号发生器输出端的PWM波形和负载电阻两端的电压波形。在仿真过程中，我将取输入的直流电压为Ud=24，改变电阻R5控制脉冲电压的沈阳理工大学课程设计论文9占空比大小。当占空比为α=0.33，Ud=24V是，得到输出直流电压Uo=42V。图3.2为负载电阻端电压值图3.2仿真结果图3.3中黄色矩形脉冲函数发生器输出端PWM波，蓝色曲线为负载电阻端电压。图3.3仿真结果当占空比为α=0.84，Ud=24V是，得到输出直流电压Uo=91.2V。图3.4仿真结果沈阳理工大学课程设计论文10图3.5仿真结果如图3.4为负载电阻端电压值，图3.5中黄色矩形脉冲为函数发生器输出端PWM波，蓝色曲线为负载电阻端电压。当占空比为α=0.93，Ud=24V是，得到输出直流电压Uo=100.2V。图3.6仿真结果图3.7仿真结果沈阳理工大学课程设计论文11如图3.6为负载电阻端电压值，图3.7中黄色矩形脉冲为信号发生器PWM波，蓝色曲线为负载电阻端电压。观察仿真结果，我们发现电压虽PWM占空比的改变而发生改变，当占空为百分之九十三的时候负载电阻的端电压达到了100v，由此可知，该电路设计可以实现直流升压。再次观察负载电阻端电压的波形，我们发现负载电阻端电压随PWM占空比变化而发生响应的速度较慢，但其电压脉动较小，简单对比，电压脉动在百分之一以内，因此，该电路设计可以达到实验要求。当我们改变负载电阻阻值后，当阻值越大，电压的脉动越明显。3.2仿真结论通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。沈阳理工大学课程设计论文12总结在本次课程设计中，我查阅了相关书籍、资料，首先对直流斩波电路有了大致的掌握，直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。进一步复习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。通过这两周的电力电子课程设计，不仅对MATLAB软件有了进一步的了解，对BUCK降压电路也有的深入的认识和理解。BUCK变换器电路在电力电子学习中就是非常重要典型的电路，通过这次的课程设计仿，对电路的特点，优缺点有了更加深刻的理解。最后，感谢老师的耐心指导和同组同学的大力支持，使我在本次设计中将遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到了更多的知识。沈阳理工大学课程设计论文13参考文献[1]陈汝全．电子技术常用器件应用手册．机械工业出版社[2]康华光.陈大钦.电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,1998[3]陈礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005[4]阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000[5]张乃国．电源技术．北京：中国电力出版社，1998[6]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001[7]王兆安、黄俊．电力电子技术．机械工业出版社，2009．6