直流斩波电路的仿真分析与实现设计方案

1 直流斩波电路的仿真分析与实现设计方案 一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量） 1 课程设计的内容 完成 路与 路的仿真分析与设计。 2课程设计的要求 1）技术参数：（ 路）输入直流电压为 42V，输出直流电压为 12V，输出电流为 3A，最大输出纹波电压为 50作频率 f 100 路）输入直流电压为 24V，输出直流电压为 54V，输出电流为 10A，最大输出纹波电压为 200作频率f 100 2）主功率器件采用 ，计算并选择主电路的元器件，给出清单； 3）设计 驱动电路及控制电路； 4）绘制总的电路原理图； 5）要求负载为具有反电动势的阻感负载； 6）改变功率开关器件的导通占空比，得出正确的斩波波形（要求至少取 3 组数据，且数据具有广泛的代表性）； 7）通过分析仿真波形，总结仿真波形与教材理论波形的区别与联系； 2 8）改变负载中 R 和 L 值，要求至少取三组以上数值，并分别仿真得出斩波波形，并分析波形； 9）分别改变电源电压、反电动势的数值，分析其对输出波形的影响； 10）撰写课程设计说明书； 11）如有 说明书结果雷同的情况，成绩按最低分处理。 二、课程设计参考资料 一、课程设计要点、设计步骤 设计要点： 1）掌握直流斩波电路主电路元器件的选择方法； 2）掌握 驱动及控制电路的设计方法； 3）掌握 编程方法，能熟练地搭建所需的电路图； 4）选取合适的驱动信号。驱动信号可以有多种实现方法，同学应视自己的情况，合理选择驱动信号； 5）通过本次课程设计，应掌握教材斩波波形与实际仿真波形的区别与联系； 6）选择不同的占空比，可以得到不同的斩波波形 ，应能掌握波形发生变化的原因； 7）通过本次课程设计，应能掌握何种情况下，阻感负载为大电感负 3 载。 设计步骤： 1）掌握 路与 路的工作原理； 2）完成主电路元器件的选择方法； 3）完成直流斩波电路系统电路原理图的设计和绘制； 4）在 境下搭建两种电路的结构图，并完成初步调试； 5）在占空比为 50时，完成两种电路的仿真，并得出仿真波形； 6）在占空比小于 50和大于 50时的多种情况下，分别完成两种电路的仿真，并得出正确的仿真结果； 7）改变负载的参数，得出相 应的仿真结果； 8）改变电源电压与反电动势的数值，得出相应的仿真结果； 9）完成课程设计说明书。 二、 主要技术关键的分析、解决思路 1）掌握电力电子电路中元器件选择的计算方法，并针对技术参数要求，合理选择主电路元器件，并保证系统安全可靠运行； 2）根据电力电子课程中直流斩波器的原理及功率器件驱动的策略，依据直流斩波电路的工作任务，完成系统电路原理图的绘制； 3）在不同占空比的情况下，完成电路的仿真实验。通过对仿真实验结果的分析，使同学们更加熟练地掌握教材中斩波电路波形的产生原因； 4 4）通过改变负载的数值 ，得到相应的仿真波形，以实现对负载的全面认识。在何种情况下，阻感负载才能称作大电感负载； 5）熟悉 编程环境，掌握利用该软件仿真电力电子电路的方法。 路与 路的仿真分析与设计 一、降压斩波电路设计 利用 计一降压变流器。输入电压 输出电压 出电流为 3A，最大输出纹波电压为 50作频率 f 100负载电阻为 10 电感 2 电力电子器件 在实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。 根据 压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及保护电路其结构框图如图 1 5 在图 1 驱动电路把控制信号转换为加在 开通或关断的信号。通过控制 开通和关断来控制 压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。 2 降压斩波主电路设计 力 压斩波主电路 在电力系统中直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。 示。该电路使用一个全控型器件 电力且为了给负载中的电感电流提供通道设置有续流二极管 路通过在电力 压 ， 实现降压。 路原理分析 直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件 用控制电路和 6 驱动电路来控制 导通或关断。当 ， 电源 负载电压为 ， 负载电流 指数曲线上升 ； 当 t= ， 控制 断 ， 负载电流经二极管 流 ， 负载电压 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联的电感 路工作时的波形图如图 2图 2流续流时工作波形 一个周期 T 结束 ， 再驱动 通 ， 重复上一周期的过程。当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等 ， 负载侧输出电压平均值为 (1平均电流值为 （ 1 式中 关周期 , 为占空比。 通过调节占空比 ， 使输出到负载的电压 大为 E,若减 小占空比 ,则 根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式 : (1)保持开关周期 T 不变 ,调节开关导通时间 ,称为脉冲宽度调制 (制 )此种方式应用最多。 (2)保持开关导通时间 不变 ,改变开关周期 T ,称为频率调制。 (3) T 都可调，改变占空比称为混合型。 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于 “ 分段线性 ” 的思想，对降压斩波电路进行解析。 7 a) V 通态期间 ，设负载电流为 1i ，可列出如下方程： (1设此阶段电流初值为 10I ， =L/R，解上式得： (1b) V 断态期间，设负载电流为 2i ，可列出如下方程： (1设此阶段电流初值为 20I ，解上式得： (1当电流连续时，有 (1(1即 V 进入通态时的电流初值就是 V 在断态阶段结束时的电流值，反过来， 初值就是 V 在通态阶段结束时的电流值。 由式（ 1式（ 1式（ 1式（ 1出： (1(1式中： ； ； tt 101 22 tt 202M)( 2210 )( 1120 1111 M/101 1111 M/201 /T M 1 / 8 由图 10I 和 20I 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（ 1式（ 1泰勒级数近似，可得 (1上式表示了平波电抗器 L 为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 从能量传递关系出发进行的推导。由于 L 为无穷大，故负 载电流维持为 变；电源只在 V 处于通态时提供能量，为 ，在整个周期 T 中，负载一直在消耗能量，消耗的能为 。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，即 (1则 (1与式（ 1论一致。 在上述情况中，均假设 L 值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为 1I ，则有 (1其值小于等于负载电流 由上式得 (1即输出功率 等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。 要器件的选择 主电路中电源、电感及电阻的参数由设计要求给定现确定主电路中 其中 根据设计要求可知电源为 42V 直流电压源计算得 ,主电路平均电流 d/所以可选择额定电压为 60V 额定电流为 6A 的 R R o 9 同样对于电力二极管可选择额定电压为 60V 电流为 6 3 控制电路设计 制电路方案选择 制电路的功能 :有给变流器的电子开关提供控制信号 ,以及对保护信号作出反应 ,关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器 ,在正输入端输入一个三角波 ,在负输入端输入一直流电平 ,比较后输出一方波信号 ,改变负输入端直流电平的大小 ,即可改变方波信号的脉宽。 对于控制电路的设计其实可以有很多种方法 ， 可以通过一些数字运算芯片如单片机、 等来输出 ， 也可以通过特定的 生芯片来控制。该设计中我选用 制。 图 3脚结构图 制电路原理 内置了线性锯齿波振荡器 ， 振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节 。 其内部结构图如图 3 10 输出脉冲的宽度是通过电容 的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由集 成电路外部输入 ， 一路送至死区时间比较器 ， 一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有 120 它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的 4， 当输出端接地最大输出占空比为 96， 而输出端接参考电平时占空比为 48 。当把死区时间控制输入端接上固定的电压范围在 （ 0 之间即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段 ： 当反馈电压从 化到 ， 输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从 这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行 “ 或 ” 运算 ， 正是这种电路结构放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器 电 ， 一个正脉冲出现在死区比较器的输出端受脉冲约束的双稳触发器进行计时 ， 同时停止输出管 2 的工作。若输出控制端连接到参考电压源 ， 那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态 ， 且最大占空比小于 50 时 ， 输出驱动信号分别从晶体管 2取得。输出变 压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下 ， 当需要更高的驱动电流输出 ， 亦可将 2并联使用 ， 这时 ， 需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下 ， 输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 控制电路如下图 3 11 图 3制电路图 4 驱动电路设计 动电路方案选择 该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁该部分 ， 主要完成以下几个功能 ： 1提供适当的正向和反向输出电压使电力 2提供足够大的瞬态功率或瞬时电流使 ； 3尽可能小的输入输出延迟时间 ， 以提高工作效率 ； 4 足够高的输入输出电气隔离性能使信号电路与栅极驱动电路绝缘 ； 5具有灵敏的过流保护能力。 而电力 用栅极电压来控制漏极电流的因此它的第一个显著特点是驱动电路简单需要的驱动功率小第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力 0 在功率变换装置中根据主电路的结构起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式 。 根据设计要求、驱动要求及电力 开关特性选择驱动芯片 12 芯片 示 图 4脚及内部电路图 动电路原理 12为 定在 1已经充到足够的电压 当 高电平时如下图 4通 断 到 栅极和源极之间 过 栅极和源极形成回路放电这时 相当于一个 电压源从而使 通。由于 一对互补输入信号所以此时 低电平 通这时聚集在 极和源极的电荷在芯片内部通过 速对地放电由于死区时间影响使 1开通之前迅速关断。 图 4动半桥电路 设计驱动电路如图 4 13 设计电路硬件图如下图 5图 5计电路硬件图 14 5、 真与分析 1、 仿真电路如下图所示 2、 仿真输出电压波形图如下 D= 15 D=55% 16 D=75% 改变 L=,D= 17 改变反电动势 U=10V 18 改变 R=5 观察仿真结果，从图中可以看输出电压在 200V 左右，满足关系式 19 o n o ff o U E 。如果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 二、升压斩波电路设计 统框图： 定指标 4V 540W 5 50%左右 于 10% 00f 100电路原理图： 电源 变压 升压斩波电路 波滤 触发电路 保 护 电 路 20 图 2 变压器二次侧电压的计算 滤波后的直流输入电压 4v 整流电压平均值 1+2)/2 =36v 变压器二次侧电压 3V 晶闸管的触发角是 /2 压器一、二侧电流的计算 变压器一侧交流电压为 220V 变压器的匝数比为： 2=2=220/83=压器二次侧电流 P=中的 P=300W，其中的纯电阻为 200 压器一次侧电流 2=2=1得： 压斩波电路元件的选择 整流元件中电压、电流最大值的计算 流过晶闸管的最大正向电压 过晶闸管的最大电流 2 2 21 整流元件型号的选择 21 根据计算结果，选择最大电压 大电流 晶闸管就可以满足电路的要求。 保护元件的选择 变压器二次侧熔断器的选择 变压器二次侧熔断电流 I 熔 =据计算结果，选择熔断电流 晶闸管 护电路选择 本设计中的保护 电路选择是缓冲电路，其作用是抑制电力电子器件的内部因过电压、 du/di/少器件的开关损耗。 保护电路原理图及其工作原理 图 3 缓冲电路的原理图 当电力电子器件的内部出现过电压、过电流时。缓冲电路会吸收多余的电能，也就是无功功率，减少器件的开通损耗，从而达到保护电路的作用。 压斩波电路的相控触发电路 相控触发电路原理图 22 图 4 常见晶闸管触发电路 控触发芯片的选择 主要有 3个二极管组成， 4个电阻， 2个 晶闸管，一个脉冲变压器 相控触发电路的工作原理 冲变压器 附属电路构成脉冲输出环节；过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲； 3是为了 导通变为截至时脉冲变压器 动电路 驱动电路 主电路与控制电路之间的接口 短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务 ： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号 23 图 1力 图中是一种采用光耦合隔离的由 成的驱动电路。当控制脉冲使光耦关断时， 光耦输出低电平，使 控制脉冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使 正向驱动电压使 源 +C/ 在升压斩波电路中，主电路和控制电路共地，所以驱动不用隔离。在降压斩波电路中则需要在控制电路和主电路之间加隔离。本实验装置中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，在加一级推挽电路进行放大。为了得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。 控制电路原理图 图 5控制电路的 计 总电路工作原理 接入 220V 交流电，经过变压器、整流电路、滤波电路，最后使得输入升压 24 斩波电路的直流电压为 50V。在经过启动触发电路，当斩波开关 二极管 反偏置，它将输入电源与输出极隔离，这时电源向电感中储能，负载由电容 斩波开关 感释放能量，与输入电压一起作用，迫使二极管导通并向负载供电。这种电路的输出电压永远高于输入电压。 7. 真与分析 1、 仿真电路如下图所示 25 2、 仿真输出电压波 形图如下 D= 26 D=70% D=55% 27 改变 L=,D= 28 改变反电动势 U=8V 改变 R=5 29 三、课程设计总结 现在我们所使用到能源中电能占了很大的比重，它具有成本低廉，输送方便，绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理的利用电能，提高电能品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。而电力电子技术正是与这一主题相关联的。直流斩波电路是里面的一 部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。 在做课程设计的这段时间里，通过不断地查找资料，对升降压斩波电路有了一定的理解 ,并在 绘制了原理图。 经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要懂如何作出实物。 四、心得体会 回顾起此次的电力电子课程之 降压斩波电路设计，感慨颇多，它使我有了很多的心得体会，可以说这次 波电路设计是在自己用心努力和在老师的精心指导下共 同完成的。 在两个星期的日子里，可以说自己每天都充满着压力与忙碌，自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。设计过程中，因为是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所