直流斩波电路的设计

直流斩波电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 作者:姚尧 学号:24071900241 班级:机自三班 摘要:MATLAB(矩阵实验室)是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计 算语言。SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计 算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。直流斩波是将固定的直流电压变换成可 变的直流电压，也称为直流-直流变换(DC/DC)变换。此文以MATLAB/SIMULINK仿真软件为 基础，完成了对斩波电路的仿真分析。 关键词:Matlab/Simulink;仿真分析;斩波电路 Abstract:MATLAB(Matrix Laboratory) is a scientific computing software, it is a matrix-based computing language and interactive process.SIMULINK block diagram of the simulation platform is based on its mount in the MATLAB environment to MATLAB's powerful calculation capabilities-based, intuitive block diagram simulation and calculation.Chopper is a fixed DC voltage converted into a variable DC voltage, also known as DC - DC Converter (DC / DC) transform.Article in MATLAB / SIMULINK simulation software based on the chopper to complete the simulation. Keywords:Matlab / Simulink;simulation;Chopper 引言 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换 器(DC/DC Converter)，直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流- 交流-直流的情况;直流斩波电路的种类很多，基本分为6种斩波电路:降压斩波电路，升 压斩波电路，这两种是最基本电路。另外还有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波 电路，Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有:脉宽调制方式(Ts不变，改变ton)和频率 调制方式(ton不变，改变Ts)两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。当今世界软开关 技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关 DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为(6.2、10、17) W/cm3，效率为(80—90)%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频 开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流 器(MOS-FET代替肖特基二极管)，使整个电路效率提高到90%。 而MATLAB是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术 计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其中MATLAB可以进行矩 阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要 应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分 析等领域。而Simulink是著名的、应用普遍的动态系统仿真工具，Simulink能够直观、快 捷地构建过程控制系统的方块图模型，并在此基础上进行仿真结果的可视化分析，是进行过 程控制系统设计和参数整定的首选仿真工具。[1] 1 设计原理 1.1 降压斩波电路 直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如图1-1 所示。 在开关器件V导通时， 有电流经电感L向负载供电，在V 关断时，电感L释放储能，维持负 载电流，电流经负载和二极管VD形 图1-1 直流降压变流器原理图 成回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为: tt ononU,E,E,,Eo t，tTonoff 式中T为V开关周期,为导通时间，为占空比。 ton Uo最大为E，减小a，Uo随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器(Buck Converter)。 负载电流平均值 电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式: (l) 保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为PWM(Pulse Width Madula-tion)ton 或脉冲调宽型。 (2) 保持开关导通时间t不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。 on (3) t和T都可调，使占空比改变，称为混合型。[2] on 降压变流器的主电路的设计除要选择开关器件和二极管外，还需要确定电感L的参数，电感参数的计算是复杂的，但是采用仿真就很简单。仿真的模型线路如图1-2所示。 仿真设计步骤如下: 1. 根据直流降压变流器原理图建立变流器的仿真模型如图1-2所示。 图1-2 降压斩波电路模型 在模型中采用了IGBT,IGBT的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲占空比。模型中连接多个示波器，用于观察线路中各部分电压和电流波形，并通过傅立叶分析来检测输出电压的直流分量和谐波。 设直流降压变流器电源电压E=200V，输出电压=100V，电阻负载为5Ω。设计电感UR 值。仿真步骤如下: (1) 在模型中设置参数，设置电源E电压为200V，电阻的阻值为5Ω，脉冲发生器脉冲周期T=0.2ms,脉冲宽度为50%，IGBT和二极管的参数可以保持默认值。 (2)设置仿真时间为0.02s，算法采用ode15s。启动仿真，仿真波形如下。 图1-3 二极管两端电压和电流 图1-3所示二极管两端电压(图上部)，可也看到，在二极管关断瞬间由于电感di/dt作用使二极管两端出现尖峰。导通期间电感L释放储能，维持负载电流，电流下降(图下部)。 图1-4 输出电压、电流及直流电压波形 图1-4所示为电阻两端的变换器输出的电压波形，电流波形以及经傅立叶分析得到的输出的电压直流分量。由图可知所设参数满足降压要求但是电压的波动很大。修改电感参数进行多次仿真，可发现增大电感可以减少输出电压的脉动，但电压达到稳定的时间被延迟。可以采取的措施是提高斩波频率和电容滤波。 1.2 升压斩波电路 直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1-5所示。 在电路中IGBT导通时，电流 由E经升压电感L和V形成回路， 电感L储能;当IGBT关断时，电 感产生的反电动势和直流电源电压 方向相同互相叠加，从而在负载侧 图1-5 原理图 得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断IGBT导通是，电容的放电回路。调节开关器件 V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为: t，tTonoff U,E,Eo ttoffoff 式中T为V开关周期,为导通时间，为关断时间。 ttonott 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。[2] 直流升压变流器的电感和电容的值设计，可以通过仿真来确定。 已知直流电源200V，要求将电压提升到400V，且输出电压的脉动控制在5%以内，负载的等值电阻为5Ω。设计一个直流升压变流器，并选择电感和电容参数值。 仿真设计步骤如下: . 根据直流升压变流器原理图建立变流器的仿真模型如图1-6所示。 1 图1-6 升压斩波电路模型 2. 在模型中设置仿真参数: (1)设置电源E电压为200V，电阻的阻值为5Ω。 (2)脉冲发生器脉冲周期T=0.2ms,脉冲宽度为50%。 (3)IGBT和二极管的参数可以保持默认值。 (4)初选L的值为0.1ms，C的值为100µF。 3. 启动仿真 设置仿真时间为0.03s，算法采用ode15s。仿真波形如图1-7所示。 图1-7输出电压波形 观察仿真结果，可见在上述给定条件下输出电压幅值为400V,符合 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 : t，tT onoffU,E,Eo ttoffoff 的计算结果。说明构建的仿真模型的正确性。 从仿真结果还可以看出选择的参数基本满足要求，只是输出电压存在波动，如果需要进一步减少输出电压波动，可以提高脉冲发生器产生脉冲的周期，并选择多组LC参数比较以得到更满意的结果。 1.3 PWM控制芯片SG3525 1.3.1 SG3525引脚功能及特点简介 其原理图如图1-8: 图1-8 SG3525的引脚以及内部框图 1.Inv.input(引脚1):误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端(引脚9)相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2):误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3):振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4):振荡器输出端。 5.CT(引脚5):振荡器定时电容接入端。 6.RT(引脚6):振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7):振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8):软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9):PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10):外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A(引脚11):输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12):信号地。 13.Vc(引脚13):输出级偏置电压接入端。 14.Output B(引脚14):输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc(引脚15):偏置电源接入端。 Vref(引脚16):基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 16. 特点如下: (1)工作电压范围宽:8—35V。 (2)5.1(1 1.0%)V微调基准电源。 (3)振荡器工作频率范围宽:100Hz?—400KHz. (4)具有振荡器外部同步功能。 (5)死区时间可调。 (6)内置软启动电路。 (7)具有输入欠电压锁定功能。 (8)具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 (9)逐个脉冲关断。 (10)双路输出(灌电流/拉电流): mA(峰值)。 1.3.2 SG3525的工作原理 SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown(引脚10)上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525 的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。[3] 2 设计降压斩波主电路及控制电路 图2-1为降压斩波主电路及控制电路 图2-1 降压斩波主电路及控制电路 降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势。如图2-2中Em所示。为使io连续且脉动小，通常使L值较大。 图2-2 斩波电路拖动直流电动机 升压斩波电路应用直流电动机传动时，通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 参考文献 [1] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB,Simulink的系统仿真技术与应用.北京:清华大学出版社，2002 [2]王兆安.电力电子技术.第四版.北京:机械工业出版社.2004.1 [3]梁延贵.现代集成电路实用 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 可控硅触发电路分册.北京:科学技术文献出版社.2002.2