半桥式DC-DC变换器的系统

半桥式DC-DC变换器的系统设计摘要近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。半桥式DC-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。关键词：Buck；半桥；DC-DC；MATLAB目录1绪论.........................................................................................................................................11.1研究背景..................................................................................................................................11.2变换器简介...............................................................................................错误!未定义书签。1.3本文研究的内容......................................................................................................................22半桥式DC-DC变换器的工作原理...........................................................................................22.1半桥式DC-DC变换器的基本电路图及工作原理................................................................22.2BUCK变换器..............................................................................................错误!未定义书签。2.2.1线路组成................................................................................................错误!未定义书签。2.2.2工作原理................................................................................................错误!未定义书签。2.3带变压隔离器的DC-DC变换器拓扑....................................................错误!未定义书签。3半桥式DC-DC变换器的系统设计...........................................................................................63.1电路参数的计算与选取...........................................................................................................63.2闭环的控制方法与实现........................................................................................................143.2.1PWM的调制方法...............................................................................................................143.2.2PID控制器..........................................................................................................................153.2.3PID控制器的参数整定......................................................................................................173.2.4闭环控制方法与实现.........................................................................................................174MATLAB/SIMULINK仿真....................................................................................................194.1MATLAB/SIMULINK.........................................................................................................194.2半桥DC-DC变换器系统仿真模型的建立.........................................................................194.3.1开关管控制脉冲仿真模块的建立.....................................................................................204.3.2实际系统仿真模块的搭建.................................................................................................26结束语...........................................................................................................................................30参考文献.......................................................................................................................................31致谢..............................................................................................................错误!未定义书签。1绪论1.1研究背景随着科技的发展，在人们的日常生活中，电力已成为与生产生活息息相关的一部分，在各个场合，人们都需要各式各样的电力来为其服务，然而并不是所有的电力都能在一开始就能满足需要，于是就要求有电力变换的过程。直流-直流变换器（DC-DC）作为一种应用广泛变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC-DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC-DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC-DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC-DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC-DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC-DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC-DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC/DC变换器现已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中，通常将整流器称为一次电源，而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作，开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内，实现高效率和小型化。因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加，其电源容量也将不断增加。（4）半桥式变换器由两个电容器和两个开关管组成两个桥，桥的对角线接变压器的原边绕组，故称半桥变换器。半桥式变换器减小了原边开关管的电压应力，结构简单，功率器件少，所以在中小功率场合得到广泛应用。本文设计电路将400V恒定直流输入变为5V稳定直流输出，输出功率较低，所以我们采用半桥式变压器。1.3本文研究的内容本文研究的内容主要包括：(1)研究半桥式DC-DC电力变换电路的工作原理。(2)研究PWM调制方法的机理和半桥式DC-DC变换电路的控制方法。(3)设计从400V到5V的半桥式DC-DC变换器。(4)采用MATLAB工具对所设计系统进行仿真研究。2半桥式DC-DC变换器的工作原理2.1半桥式DC-DC变换器的基本电路图及工作原理半桥式DC-DC变换器是由Buck基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单，在中小功率上得到广泛应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC变换器的工作原理进行分析。为