三电平降压斩波电路设计与实现毕业设计.doc

三电平降压斩波电路设计与实现毕业设计目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的和意义11.3本文研究的相关内容2第2章 直流三电平Buck电路分析32.1 三电平电路的提出和应用32.2 直流三电平Buck电路工作原理3 2.2.1 D0.5 的工作模式4 2.2.2 D0.5 的工作模式 当开关管的占空比D大于 0.5 时，其主要波形如图2-4 所示。在每一个开关周期内，变换器有四个开关模态。图2-4 D0.5时的主要波形（1）开关模态 1 t0，t1 （如图 2-3 (a)）Q1和 Q2同时导通，AB 两点间电压为输入电压 Vin，D1和 D2上的电压为Vin/2。滤波电感 Lf的电流线性增加。 (2-1)（2） 开关模态 2 t1，t2 （如图 2-3(b)t1时刻关断 Q1，Q2继续导通，D1导通。vAB=Vin/2，Q1和 D2上电压为Vin/2。Lf电流线性下降。 (2-2)t2时刻开通 Q1，Q2继续导通，电路进入开关模态 3。开关模态 3 与开关模态 1 相同，如图 2-3 (a)所示。t3时刻关断 Q2，Q1继续导通，电路进入开关模态 4，如图 2-3(c)所示。电路工作情况同开关模态 2 类似，此处不再赘述。由图2-4可知： (2-3) (2-4) (2-5)其中，fs是开关频率，Ts1/fs是开关周期；Ton为开关管的导通时间，Toff为开关管的截止时间。定义 DTon/Ts为占空比；ILf_H、ILfmin_H和 ILfmax_H分别为 D0.5 的电感电流脉动值、电感电流最小值和最大值。2.2.2 D0.5 的工作模式当开关管的占空比小于 0.5 时，其主要波形如图2-5 所示,在每一个开关周期内包括了4 个开关模态。图2-5 D0.5的主要波形（1） 开关模态 1 t0，t1 （如图 2-3 (c)）Q1导通，D2导通，vAB=Vin/2，Q2和 D1上的电压为 Vin/2。 （2-6）（2） 开关模态 2 t1，t2 （如图 2-3 (d)）t1时刻关断 Q1，D1和 D2导通。vAB=0，Q1、Q2两端电压均为 Vin/2。 （2-7）t2时刻开通 Q2，电路进入开关模态 3。开关模态 3 与开关模态 1 相类似，此时 Q2导通，D1导通，如图2-3 (b)所示。t3时刻关断 Q2，电路进入开关模态4，同开关模态 2 工作情况相同，如图2-3(d)所示，此处不在重复。由图 2-5可知： (2-8) (2-9) (2-10) 其中ILf_L、ILf_min_L和 ILf_max_L分别为 D0.5 和 D0.5 由式(2-4)、(2-11)和(2-12)可以得到 D0.5 时的临界连续电流IG_H： (2-13)上式表明 IG_H与占空比 D 的关系为二次函数，当 D0.75 时，IG_H达到最大值： (2-14)将式(2-14)代入式(2-13)，可得： (2-15)在 D0.5 时，如果电感电流大于 IG_H，变换器工作在电感电流连续状态，输入输出电压比与负载电流无关，满足式(2-11)；一旦电感电流小于 IG_H，电路将工作在电感电流断续状态，波形如图 2-6所示。此时： (2-16)式中TON电感电流上升时间；TOF电感电流下降时间。iON= ( Vin-Vo) TON (2-17)iOF= (Vo-Vin/2) TOF (2-18)图2-6 D0.5 电感电流断续稳态时有iON=iOF，由式(2-17)和(2-18)可知： (2-19) (2-20)将式(2-14)、(2-16)、(2-17)和(2-20)联立，得到： (2-21)由式(2-21)可得： (2-22)上式就为变换器在 D0.5 时电感电流断续时的外特性。（2）D0.5 在 D0.5，在 D0.5 时，如果电感电流大于 IG_L时，变换器工作在电感电流连续状态，输入输出电压比与负载电流无关，满足式(2-11)；一旦电感电流小于 IG_L，那么变换器将工作在电感电流断续状态，波形如图 2-7。图2-7 D0.5 电感电流断续此时： (2-26)式中 TON为开关管的导通时间，亦即电感电流上升时间，TOF为电感电流下降到零的时间。 （2-27） （2-28）稳态时iON=iOF，由上面两式可知： （2-29）将式(2-24)、(2-26)、(2-27)和(2-29)联立，得到：= （2-30）由式(2-30)可得：= （2-31）上式是变换器在 D0.5和D0.5和D0.5时，AB两点之间的电压波形如图5-5, AB两点之间的电压随着开关管的开通和关断，电压在110V和220V变换：图5-5 D0.5时AB两点之间电压波形此时的开关管的驱动脉冲波形如下：图5-6 D0.5时开关管的驱动脉冲波形当D0.5时，AB两点之间的电压波形如下图5-7，AB两点之间的电压随着开关管的开通和关断，电压在110V和0V变换：图5-7 D0.5时AB两点之间电压波形此时的开关管的驱动脉冲波形如下：图5-8 D0.5时开关管的驱动脉冲波形5.2 闭环仿真根据设计要求，要满足输入直流电压220V，输出直流电压100V，在开环的仿真基础上增加了PI调节环节，通过反馈实现了闭环的控制调节。1、闭环仿真图图5-9 闭环仿真图2、闭环仿真输出电压波形图5-10 闭环仿真输出电压波形图为验证系统的稳定性，还对负载扰动和电压扰动的闭环输出电压进行了仿真，其输出波形如下：负载突降时：图5-11 负载突降时输出电压波形图负载突加时：图5-12 负载突加时输出电压波形图稳定后输入电压突降时：图5-13 稳定后输入电压突降时输出电压波形图稳定后输入电压突加时：图5-14 稳定后输入电压突加时输出电压波形图5.3 本章小结本章对直流三电平Buck变换器进行了开环仿真、闭环仿真时的仿真，给出了相关仿真波形。由仿真波形可以知道，在开环电路、闭环电路，通过控制主开关管IGBT的开通时间实现直流三电平Buck变换器的输出调节和反馈控制，验证系统的稳定性。第6章 系统PCB板的设计 第6章 系统PCB板的设计6.1 PCB设计简介 PCB（Printed Circuit Board）印刷电路板的设计是以电路原理图为根据的，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指的是版图的设计，需要考虑器件的布局和连接线的布局。应该尽可能实现内部电子元器件的优化布局，金属连接线和过孔的优化布局。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能。6.2 PCB设计的基本概念1、尽量少用过孔：要是选用了过孔，务必要处理好它与周边各实体的间隙，如果是自动布线，可在过孔数量最小化（ Via Minimiz8tion）子菜单里选择on项来自动解决。需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。2、丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修，在印刷板的正反两表面印刷上所需要的标志图案和文字说明等，例如元件标号和标称值和元件外廓形状等等。不少初学者设计丝印层时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出来的PCB效果。他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大的不便。正确的布置原则是：不出歧义，见缝插针，美观大方。 3、焊盘（Pad）焊盘是PCB设计过程中最常接触也是最重要的概念。选择元件的焊盘类型要综合考虑元件的形状、大小、布置形式、振动以及受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。焊盘的选择要考虑以下原则：（1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；（2）需要在器件引脚之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍； （3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2- 0.4毫米。4、飞线有两重含义自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用Show 命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率，这一步很重要。另外，自动布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。找到未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线看作为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.为了将零件固定在PCB板子上面，我们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB（单面板）上，零件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。所以我们就需要在板子上打洞，这样接脚才能穿过板子到另一面，所以零件的接脚是焊在另一面上的。因此，PCB的正反面分别被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。PCB上的绿色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）的颜色。这层是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件焊到不正确的地方。在阻焊层上也会印刷上一层丝网印刷面（silk screen）。通常在这上面会印上文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面。6.3 PCB设计的主要流程在PCB设计中，其实在正式布线前，还要经过很多的步骤，以下就是PCB设计主要的流程：1、系统规格首先要先规划出电子设备的各项系统规格。包含了系统功能，成本限制，大小等等。2、系统功能区块图将系统分割几个PCB，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统有升级与交换零件的功能。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。 决定使用封装方法，和各PCB的大小当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了，接下来就是决定板子的大小了。如果PCB设计的过大，那么封装技术就要改变，或是重新作分割的动作。6.4 直流三电平Buck变换器的PCB设计6.4.1 PCB原理图设计直流三电平Buck变换器的PCB原理设计如图6-1所示：图6-1 直流三电平Buck变换器的PCB原理设计6.4.2 生成的PCB板直流三电平Buck变换器的由原理图生成的PCB板如图6-2所示：图6-2 直流三电平Buck变换器的PCB板6.4.3 PCB板的3D效果图图6-3 PCB板的3D效果图6.5 本章小结本章简单介绍了Protel软件的应用及注意事项，设计了直流三电平Buck变换器的原理图，并对PCB板进行了元器件和走线的布局，并生成了PCB板的3D效果图。结论 结论本文首先介绍了直流三电平Buck变换器的工作原理，给出相关参数的计算依据，然后阐述了直流三电平Buck变换器的工作过程，给出相关工作波形，设计控制电路，计算相关参数，利用MATLAB软件进行仿真，并给出仿真波形。由第2章可以知道，对于直流三电平Buck变换器，存在以下优点：（1） 开关管的电压应力为输入电压的一半；（2） 续流二极管的电压应力为输入电压的一半；（3） 输出滤波器上得到三电平电压波形，大大改善了输出滤波器的工作条件。在输入输出条件相同的情况下，与 传统Buck 变换器相比，直流三电平Buck变换器的滤波电感减小到 1/4，滤波电容减小到 1/2；通过控制电路解决了分压电容均压的问题，此方法通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压。本论文尚需考虑解决的问题有，如何解决直流三电平Buck变换器的软开关。参考文献 参考文献1 薛稚丽,李斌,阮新波. Buck三电平变换器C,第十五届全国电源技术年会论文集,南京航空航天大学(南210016):153158;2 刘学超,潘虹,张波.改进型零电压开关PWM三电平直流变换器J,电力电子技术.2003.37(3):3738,94;3 董锋斌,皇金锋. 改进型三电平Buck直流变换器的建模研究J,电力电子技术.2008.42(2):2426;4 李柯平,周继华,高丁丁.Boost三电平变换器在大功率UPS中的应用J,电力电子技术.2006,40(06):115117;5 阮新波,危健,薛亚丽.输入输出共地的三电平变换器J.中国电机工程学报,2003.23(11):1820;6 阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术J.科学出版社, 2000:301303;7 阮新波,严仰光.脉宽调制 DC/DC 全桥变换器的软开关技术J. 科学出版社, 1999:1516;8 刘树林,刘健,钟久明. Buck-Boost变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析J.电子学报.2007.5:838843;9 肖国庆. 基于降压斩波电路的可变电流源设计J.科技论坛.2122;10 徐洪哲. 降压式三电平直流变换器的研究D. 哈尔滨工业大学,2008;11 朱德明,秦海鸿,严仰光. 三电平Buck-Boost双向变换器的仿真研究J. 电源世界.2005.4:1923;12 石勇,杨旭,王兆安.三电平交流斩波电路及其浮动电容电压控制策略的研究N. 西安交通大学学报.2003.37(12):12761279;13 金科,杨孟雄,阮新波.三电平双向变换器J.中国电机工程学报.2006.26(18):4146;14 王鸿雁,何湘宁.三电平直流变换器软开关技术的研究J.电源技术应用.2002.5(6):241244;15 Lisheng Shi,Mehdi Ferdowsi, Mariesa Crow. Dynamic Response Improvement in a Three-Level Buck Type ConverterJ. Missouri University of Science and Technology, Rolla, MO, 65401,19521958;16 J.Renes Pinheiro, Ivo Barbi. The three-level ZVS PWM Converter - A new concept in high-voltage dc-dc conversionJ. IEEE IECON, 2003:173178;17 Xinbo Ruan, Bin Li, Qianhong Chen. Three- Level Converters - A New Concept in High Voltage DC-to-DC ConversionJ. IEEE PESC, 2002: 663668;18 J.Renes Pinheiro, Ivo Barbi. Wide load range the three-level zvs pwm dc-to-dc converterJ. IEEE PESC, 2003:171177;19 Xinbo Ruan, Dayu Xu, Yangguang Yan. A simplified zero-voltage-switching pwm three-level converter with two clamp diode