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四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告前言直流斩波电路（dc chopper）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/dc converter)。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，dc-dc变换器包括以上两种情况。 直流斩波电路的种类较多，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斩波电路和zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。 利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。 直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（igbt）综合了gtr和电力mosfet的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来gtr和一部分电力mosfet的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。 matlab是矩阵实验室matrix laboratory的简称，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，simulink是matlab软件的扩展它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在simulink中来完成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用matlab/simulink工具分析系统的基本方法。1.设计思路与框图1.1 设计思路 本课程设计主要应用了matlab 软件及其组件之一simulink进行系统的设计与仿真系统主要包括：buck降压斩波主电路部分、pwm控制部分和负载。buck降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可1。pwm控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件igbt的导通和关断，实现整个系统的运行。在simulink中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用simulink提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个buck变换器的研究与设计2。 1.2系统框图 系统框图如图1所示: 负载buck降压斩波电路pwm脉冲产生图1 buck变换器系统结构总框图2.pwm控制器的设计2.1 pwm控制的基本原理脉冲宽度调制（pwm）是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定3。2.2 pwm波的分类根据pwm波形的幅值是否相等，pwm波可分为等幅pwm波和不等幅pwm波。由直流电源产生的pwm波通常是等幅pwm波，如直流斩波电路和pwm整流电路等；当输入电源是交流时，得到的即为不等幅pwm波，都基于面积等效原理，本质是相同的。根据所控制电路的不同，pwm波又可分为电压波和电流波4。2.3 pwm的产生原理pwm可以通过芯片和软件来实现，在此我选择的是软件实现，通过对单片机的p3的第七个管脚编程来产生40khz的pwm，其占空比是56%。其原理图如图2所示：图2 pwm产生电路图2.4 pwm放大原理由单片机产生的pwm的一个缺点就是驱动能力不足，所以在单片机的p3的第七个管脚需要加一个驱动电路，需要使用芯片ir2101来获得足够大的电压来驱动场效应管。如图3所示为ir2101的芯片管脚：图3 ir2101引脚图其引脚作用如图4所示：图4 管脚功能图其连接方式如图5：图5 管脚连接图3.buck变换器的设计3.1 buck变换器的基本原理buck电路是由晶体开关管v、续流二极管vd和lc输出滤波器组成，图中rl表示负载。其电路图如图6：图6 buck降压斩波电路图稳态时，v周期性的导通和关断，将直流输入电压斩波、生成脉宽为ton的矩形波脉冲电压；然后再由lc滤波器滤波，当lc足够大时输出电压的纹波足够小，可以认为是平滑直流电压，稳态时根据电感电流是否连续，buck变换器有连续和不连续两种工作模式。3.2 igbt简介igbt的等效电路如图7所示。由图可知，若在igbt的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则igbt导通，这样pnp晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若igbt的栅极和发射极之间电压为0v，则igbt截止，切断pnp晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止5。图7 内部结构图由此可知，igbt的安全可靠与否主要由以下因素决定：igbt栅极与发射极之间的电压；igbt集电极与发射极之间的电压；流过igbt集电极发射极的电流；igbt的结温。 如果igbt栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则igbt不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则igbt可能永久性损坏；同样，如果加在igbt集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压，流过igbt集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流，igbt的结温超过其结温的允许值，igbt都可能会永久性损坏6。3.3 控制方式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(时间比控制方式)：（1）脉冲宽度调制（pwm）：t不变，改变ton。（定频调宽控制模式） （2）频率调制：ton不变，改变t。（定宽调频控制模式） （3）混合型：ton和t都可调，改变占空比。（调宽调频混合控制模式）4.buck主电路参数设计4.1参数选择原理在buck电路中的电感l和电容c组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美的滤波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐波。因此，输出电压波形事实上如图8所示，可以表达为7：图8 电压波形图所以实际的输出电压由所需要的直流分量uo加少量的交流分量uripple所组成，交流分量由低通滤波器未能完全衰减的开关谐波所产生8。 由于直流变换器的作用使产生所需的直流的输出，因此希望输出电压开关纹波很小。所以，通常可以假设开关纹波的幅值远远小于直流分量，即： |uripple|maxelements选择“series rlc branch”阻感容串联模块。在simulink模块库中没有专用的电阻、电感、电容模块它们均可以通过series rlc branch模块通过参数的设置来实现.双击进入设置模块，在进行设置即可，如图11所示。图11 阻感容串联模块5.2 电力二极管模块 在simpowersystempower electronics选择“diode”电力二极管模块，模块如图12所示，参数设置如图13所示。图12 电力二极管模块图13 电力二极管参数设置在simpowersystempower electronics选择全控型“igbt”模块，模块如图14所示，参数设置如图15所示。图14 igbt器件图15 igbt器件参数设置5.3 电压电流测量模块 在simpowersystemmeasurements选择“voltage measurement”电压测量模块和“current measurement”电流测量模块，通过这些模块,可以方便的与示波器模块相连接来进行参数的测量。模块如图16所示。 图16 电流与电压表5.4 示波器模块 在simulinksinks选择“scope”示波器模块，用来与电压和电流测量模块配合使用，显示测量点的电压或电流波形。“scope”示波器模块可以参数设置测量输入端的数目，也就是说可以同时进行多路的测量，既可以是电压，也可以是电流，仿真时可以通过双击示波器模块，打开显示波形的界面，该界面有很多按钮，可以进行x轴和y轴的放大显示，方便观察测量的波形，选择“parameters”按钮模块，打开示波器的属性设置窗口，在number of axes中输入需要的端口数目即可。模块如图17所示。 图17 示波器5.5 pwm脉冲模块 在simulinksources选择“pulse generator”模块，用来模拟pwm控制电路和驱动电路，该模块通过参数的设置，可以实现任意周期，任意宽度，任意幅值的脉冲信号，模块如图18所示。参数设置如图19所示。 图18 模拟pwm控制电路图19 模拟pwm参数设置5.6 仿真电路设计 在simulink中选择filenewmodel,即可创建以一个由工具栏和绘图区构成的文件，将选择的各个模块从库中拖到新建的绘图区，进行连线，即可完成电路图的绘制。电路图如图20所示。图20 buck电路图5.7 仿真波形 设置仿真时间为1s，仿真过程中或仿真结束后，双击示波器模块，即可查看各个测量点的波形，如图21所示为占空比为50%和占空比20%的波形比较图。图21 电压仿真对比图6.课程总结6.1 心得体会通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流。在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表达能力。 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。6.2设计总结本次民用电子课程设计针对buck变换器进行了详细的介绍，包括buck电路的工作原理分析、buck电路的主要参数设计、buck电路电路的仿真以及pwm的产生的仿真。通过这次的课程设计我对民用电子更加的了解了并且把理论上的知识运用到了实际生活中，查阅资料，与同学相互的交流也是一种学习的方法，增加了自己的交流的水平，也让我学会了matlab仿真软件的使用和proteus仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，让我真正的学以致用。7.参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术m.北京.科学出版社，2007.6. 125-1332 周克宁.电力电子技术m.北京.机械工业出版社，2004.85-1003 徐德鸿.电力电子系统建模及控制m.北京. 机械工业出版社，2006. 25-334 丁道宏.电力电子技术m.北京.航空工业出版社，1999. 125-1335 赵良炳.现代电力电子技术基础m.北京.清华大学出版社，1995.12-156 陈伯时.电力拖动自动控制系统m.北京. 机械工业出版社，1992.125-1337 廖晓钟.电力电子技术与电气传动m.北京.北京理工大学出版社，2000.24-298 王维平.现代电力电子技术及应用m.南京.电子工业出版社，2004.33-399 浣喜明 姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000.32-41 10 莫正康.电力电子技术应用.机械工业出版社,2000.100-111 11 郑琼林 耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996.243-255 12 邵玉斌.matlab/simulink通信系统建模与仿真分析.清华大学出版社，2008.111-12113 张圣勤.matlab 7.0实用教程.机械工业出版社.2006.134-143附录程序#include/*/宏定义/*/#define uchar unsigned char/*/管脚的定义/*/sbit pwm = p3 7;/*/函数初始化/*/void start(void)tmod |= 0x01;/定时器0的工作方式1th0 = (65536 - 1) / 256;/设定初值为1ustl0 = (6553