基于MATLAB的反激变换器分析与设计毕业论文.docx

基于MATLAB的反激变换器分析与设计毕业论文目 录引言21 反激变换器理论基础31.1 反激变换器的特点21.2 反激变换器工作原理41.3 反激变换器工作模式21.4 反激电路MATLAB仿真建模51.5 反激变换器的控制方法82 单端输入多端输出反激变换器的设计 82.1 设计要求92.2 设计平台92.3 设计流程93 单端输入多端输出反激变换器的开环仿真9 3.1 设计电路系统框图23.2 开环仿真分析93.3 仿真结果分析124 单端输入多端输出反激变换器的闭环仿真分析24.1 PID控制24.2 闭环系统仿真框图134.3 Simulink建模144.4 闭环系统仿真15结束语2参考文献2致谢2作者简介18声 明20引言开关晶体管开通和断开的时间比率是利用近代的电力电子技术来控制的,来保持电压稳定输出的一种电源叫做开关电源。当开关电源还没出现的时候,这种工作电源都是采用线性稳压电源。线性稳压电源也称为串联调整式稳压电源，具有良好的稳定性，快速反应性，输出纹波电压输出小，工作噪音小等优点，但也有工作效率低，体积膨大，集成性低，产生的热量大等问题。开关电源是通过控制开关通断的时间比率来保持电路的输出电压稳定的一种电源，以它的小体积、轻重量、小功率、高效率、易扩容、智能化程度高、便于管理等特点，逐步取代线性稳压电源，成为直流稳压电源管理的主导方式1。随着电子技术的不断发展,电子设备也得到了长足的发展，功能越来越强大,体积却越来越小,社会急切需求一种性能更高、体积更小、效率更高和集成性更强的新型电源；因此对开关电源的研究有着很重大的意义。当前开关电源作为电力电子领域的一个重要研究方向，对其的研究，不仅有理论意义，而且对我们生活的改善，有着很重要的意义。以Flyback电路作为开关电源的主电路为研究对象意义重大，而且MATLAB这款仿真软件具有十分强大的功能，还有针对电力电子的一些专用功能，因此在MATLAB平台上研究Flyback变换器，对于我们今后的学习工作是很有帮助的。1 反激变换器理论基础1.1 反激变换器的特点反激变换器具有电路拓扑比较简洁，能够提供多路直流输出，因此比较适合多组电压输出的要求。电路的输出电压与输入电压具有电气隔离的简洁的变换器就是反激变换器。输出滤波就有一个滤波电容就够了，体积和电感不要求很大，具有成本小的优点。特别是在输出高电压的时侯，能够避免大电感和大续流二极管。功率晶体管处于零电流开通状态的时候，开通损耗是非常小的。二极管在零电流关断时候，用不着考虑反向恢复的问题；电路的输入电压处于很大波动的时候，其仍然具有较稳定的电压输出，不需要切换就可以达到稳定输出电压的要求；转换效率非常的高，损失非常的小；变压器的匝数比值较小；对于小功率多组输出电路比较有效；反激电路的变压器工作原理跟其它类型的隔离变换器的工作原理是不同的，在反激电路中的隔离变压器同时起到了存储能量的作用；而且其变压器的铁芯必须加上气隙,以这种方式来防止磁的饱和；所以反激变换器被广泛应用在中小功率变换的场合。1.2 反激变换器工作原理 反激（Fly-back）变换器的构成元件有开关管、整流二极管、电容、输入电源、负载、和变压器T构成，变压器有两个绕组：一次绕组P和二次绕组S，绕组数分别用、表示，其同名端标记在图1中以“”表示，两绕组要紧密耦合，如图1所示。图1 反激变换器反激变换器属于一种隔离式开关变换器，该变换器利用变压器的功能实现了输入电压与输出电压的隔离。当开关管处于导通状态的时候，高频变压器T原边的电压等于输入电源的电压减去开关管的饱和管压降的电压，若忽略开关管的饱和管压降，它的电压值可以认为是近似等于输入电源电压值,其极性是上为正下为负，变压器的原边进行储能；与之对应的高频变压器副边电压是上负下为正。此时整流二极管承受的是反向电压，所以是不导通的，负载上的电能是依靠输出电容的放电电流来供应的。当开关管截止时，在高频变压器的原边感应出上为负下为正的自感电势，而在变压器的副边感应出上正下负的自感电动势，所以整流二极管正向导通，变压器储能给及负载供电。由此可知反激变换器在开关管处于受控导通的时候，高频变压器可以把电能转变成磁能进行储存；而当开关管处于受控截止状态，高频变压器就把原先储存起来的磁能转变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容进行充电。反激变换器的整流二极管是在功率晶体管截止状态才导通，故称其电路为反激型。在这种电路中，只要改变开关管的开关频率、占空比以及初级和次级电感的线圈数比，就可以对输出电压、电流和功率进行调节4。1.3 反激变换器工作模式依据反激变换器变压器副边的电流有无下降到零，可以将反激变换器分为三种工作模式:电感电流连续模式(CCM)、电流断续模式(DCM)与电流临界连续模式(BCM)，各种工作模式下对应的的电感电流波形如图2所示，图中的,分别是反激变换器变压器原副边的电感电流，D是开关管S的占空比，是变压器的开关频率。图2 变压器电感电流波形1.4 反激电路MATLAB仿真建模应用MATLAB仿真软件搭建反激fly-back电路，如图3所示，通过示波器Scope2可以清晰地观察到变压器副边绕组电流的波形和负载电流、电压的波形，从而根据波形判断变换器工作模式。图3 反激仿真建模图反激Flyback仿真建模图中DC是直流电压源，T是高频变压器， C是滤波电容，Diode1是电力二极管，电力二级管具有单向导通特性，具有阻止电流反向流动的功能；IGBT是电路的开关器件，R是负载，Pulse Generator是PWM脉冲发生器，用于驱动IGBT。几个重要的元件模块在反激Flyback仿真图中的参数需要调试。通过使用试凑法最终可以确定元件模块的参数如下表1所示：表1 仿真建模中元件参数设置电源电压（DC Voltage）100VPWM周期0001sec变压器（T）Pn250e6VAfn1000HzV1200e3VV240e3V滤波电容（C）200e-5sec负载电阻（R）2电力二极管（Diode1）R0.001H0Vf0.8Rs500Cs250e-9（1） 反激变换器的连续工作模式保持负载电阻R=2，反激变换器变压器的参数Rm的值为50、Lm的值为2, 改变元件模块的占空比D的大小看反激电路的工作状态，在占空比D为50%的时候，电感电流大于零反激电路处于连续模式状态，如图4所示。图4连续模式时变压器副边的绕组电流，负载电压、电流波形（2）反激变换器的断续工作模式当占空比D=8%时，电路处于断续模式状态如图5所示。图5断续模式时变压器副边的绕组电流，负载电压、电流波形从图4和图5可以看出：在负载电阻的阻值R为2，反激变换器变压器的参数Rm的值为50、Lm的值为2保持不变的时候，把占空比改小，反激电路由电流连续模式转变为电流断续模式。（3）保持负载电阻的阻值R为2，元件模块占空比D为50%，反激变换器变压器的参数Rm的值为50保持不变时候，把变压器Lm的值变小到0.1时, 电路处于断续模式状态如图6所示。 图6断续模式时变压器副边的绕组电流，负载电压、电流波形从图4和6可以看出，在保持负载电阻阻值R为2，元件模块占空比D为50%，反激变换器变压器的参数Rm为50保持不变的时候，变小变压器Lm的值，电路由电流连续模式变为电流断续模式。通过观察并记录图4到图6中的仿真波形可以看出可以通过改变PWM脉冲发生器的占空比D、变压器Lm值的大小来控制和调节输出电压、电流的大小。在负载电阻的阻值保持不变的时候，反激变换器的变压器Lm值的逐渐变小到莫个值的时候电路的工作模式就会从电流连续转变为电流断续，由此可以得出反激变换器的变压器Lm值的大小直接影响电路是工作于电流连续还是工作于电流断续。1.5 反激变换器的控制方法DC/DC变换器的控制方法比较常见的方法是“时间比率控制”。它是通过调整变换器中开关管的导通占空比，从而实现输出电压在工作状态下保持稳定。根据这个原理，可以将控制方法分为三种：脉频调制、脉宽调制和混合调制。【6】脉频调制是指保持开关管导通时间不变，通过改变开关管的周期来调整占空比的一种控制方法。脉宽调制是保持开关周期不变，而改变开关的导通时间来调整占空比的一种控制方法。混合调制方式是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的一种控制方式，属于 PWM和PFM调制的混合。本设计采用的是脉宽调制，也就是以输出电压+5V作为反馈电压，实现单闭环控制。2 单端输入多端输出反激变换器的设计 2.1设计要求反激变换器具有可靠性高、输入电压与输出电压具有电气隔离、升（降）压的范围较为宽、易于多路输出等优点。因此，本次将设计一个DC/DC单端输入多端输出的反激变换器电路，输入的直流电压源是110V，输出直流电压为+5V，+15V，-15V的反激变换器，并在MATLAB仿真软件的平台上对其验证。2.2设计平台本次设计是基于MATLAB平台的仿真设计，MATLAB是由美国Mathworks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩形处理和绘图功能。在工程的仿真方面，MATLAB软件的应用几乎遍布了各个工程领域，并且还在不断加以完善5。2.3设计流程首先，要在Simulink/SimPowerSystems平台上搭建一个符合要求的开环Flyback电路。然后进行参数的调试，直到设置的参数符合设计要求为止。最后，在Simulink/SimPowerSystems平台上，搭建一个闭环控制的电气模型。将输出电压进行采样后，然后与基准电压+5V进行比较，得到误差信号。把误差信号通过电压补偿，与锯齿波波进行PWM的调制，得到一组满足条件具有控制能力的方波，对开关管进行控制。3单端输入多端输出反激变换器的开环仿真3.1设计电路系统框图 3.2开环仿真分析使用MATLAB软件搭建电路的开环系统。如图10所示，通过示波器Scope，可以清晰地观察到输出电压的波形，从而根据波形判断变换器输出电压稳定时的值。在Simulink还可以使用测量模块，直观的读出输出电压的平均值。图10 开环系统仿真图开环系统仿真用到的模块及其主要功能如下表2所示：表2模块名及其主要功能模块名主要功能Saturation（限幅）设置输入信号的正负限幅值，模拟环节的饱和特性DC Voltage Source（直流电源）为电路提供一个理想的直流电压MOSFET描述一个MOSFET场效应管Display（显示器）数字方式显示信号Diode(二极管)反映加载于其两端的电压和通过它的电流之间的关系Voltage（电压表）电压测量PID Controller（PID控制器）具有比例、积分、微分调节作用Mean Value（平均值）求输出电压的平均值PWM发生器控制电路的闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度Powergui观测测量电压、电流的恒稳态以及电路的状态变量IGBT（绝缘栅型双极型三极管）描述一个门控信号控制的电流通路通过多次调参数试验，得出符合设计要求的参数，元件参数的设定如下表3所示：表3 仿真建模中主要元件参数设置 电源电压（DC Voltage）110VPWM周期0001sec多绕组变压器（Multi-Winding Transformer）Pn500VAfn40e3HzU1100VU25.3VU315VU415VR10.005R20.001R30.005R40.005L10.04HL20.03HL30.03HL40.03HRm50Lm55滤波电容（C2）200e-6sec滤波电容（C3）200e-6sec负载电阻（R1）20负载电阻（R2）20负载电阻（R3）20电力二极管（Diode1）Ron(内电阻)0.001Lon(内电感)0HVf（正向电源）0.8VRs(过渡电阻)500Cs（过渡电容）250e-9F3.3仿真结果分析打开示波器Scope，观察如图11所示的输出电压，可以初步观察开环系统仿真输出电压的波形，发现其稳定后的平均值和测量模块测出的平均值相近,电压值分别为4.469V,14.09V,-14.09V,如图12所示。 图11输出电压波形图图12输出电压的平均值4单端输入多端输出反激变换器的闭环仿真分析4.1 PID控制使用PID参数进行参数调节的时候，具有一套完整的理论计算公式来计算确定PID参数则是最完美的方式，而现实的使用当中，大部分是使用试凑法来调节PID的参数。试凑法就是经过闭环系统运行仿真，仔细观看闭环系统的响应特性曲线，再依据各模块元件的参数对系统的影响，反复调节模块元件的参数，等到系统的响应特性曲线符合设计要求为止，这样就把PID控制的参数确定下来了。本设计就是使用PID试凑法对闭环系统进行补偿稳压仿真分析，达到毕业设计要求。4.2闭环系统仿真框图 闭环系统仿真框图如图13所示。图13闭环控制原理图闭环控制原理：将输出电压与基准电压5V进行比较，得到的差值送入PID进行运算后，通过限幅模块，限幅值为-0.5V到1V, 再通过幅值为2的三角波进行比较，得到一组有控制功能的方波，此过程就是PWM调制。当输出电压过大的时候，PWM波的占空比D会相应减小；相反，当输出电压过小的时候，PWM波的占空比D会相应增大；确保输出电压稳定为5V。4.3 Simulink建模在Simulink上搭建闭环系统的电气模型仿真图，如图14所示。图14 闭环系统的电气模型仿真图4.4 闭环系统仿真打开示波器Scope，观察如图15所示的闭环控制系统的输出电压，可以初步观察闭环系统仿真输出电压的波形，发现其稳定后的平均值和测量模块测出的平均值非常相近,电压值分别为5.003V,15.63V,-15.63V,达到了设计的要求。如图16所示。图15闭环系统输出波形图图16闭环系统输出电压平均值结束语经过了两个多月的努力和探究，本人撰写好了所选的毕业论文，从本人在学校的毕业论文的选题系统题目到闭环控制系统仿真的实现，到毕业设计论文的定稿，每经过一个阶段对我来说都是新的尝试和挑战。在两个多月里，本人和老师共同学习和试验，查看了大量相关的资料和书籍，让自己思路由模糊逐步变清晰，使不成熟的作品慢慢地完善起来，本人觉得每一次小小的进步都是学习的收获，每一次参数的调试成功心里都会有一种小小的满足感。本论文首先对反激电路的开环电路系统进行仿真分析，经过分析，了解了电路中个参数的变化对系统整体效果的影响，并选择了合理的校正方式和补偿方法；直接在MTALAB上搭建了闭环系统。本次毕业设计所遇到的种种困难和喜悦使本人难以忘怀，是使本人切身体会到没有自己的研究，就不会有所突破。参考文献1 孟建辉. 开关电源的基本原理及发展趋势J. 通信电源技术，2009,26（6）：62-63,67.2胡江毅.反激变换器的设计D.南京航空航天大学硕士学位论文,2003.3 张兰红.陈道炼.反激变换器不同工作模式的稳态分析与设计J .电源世界，2002,20（12）4 侯振义.直流开关电源技术及应用M. 北京：电子工业出版社，2006.5 吴天明 谢小竹 彭彬 MATLAB电力系统设计与分析M. 北京：国防工业出版社,2004.6 华伟. 通信开关电源的五种 PWM 反馈控制模式研究J. 通信电源技术，2001，6(2):8-127 王兆安，刘进军. 电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2012.8 林飞，杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB的仿真M. 北京：中国电力出版社，2012.9 胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社,2008.10 周志敏，周纪海，纪爱华. 高频开关电源设计与应用实例.M. 北京：人民邮电出版社，2008.11王志强，肖文勋.开关电源设计.M. 北京：电子工业出版社，2010.12 黎善斌,王智,孙优贤.网络控制系统的自整定鲁棒数字PID控制J. 浙江大学学报（工学版），2004.12，38（12）:1580-1581.致谢在我的指导老师xxx教授的亲切关怀和悉心指导下终于完成了本论文。从选题到最终的定稿刘老师都一直在旁边尽心尽力的指导着我们这个毕业设计小团队。只要我们遇到难以解决的问题，需要刘老师指导，刘老师都会从百忙之中赶来学校辅导我们，有时候从下午的3点多开始一直到晚上的十点多，在中途都没有怎么休息过。一想到刘老师晚上十点多走回家的情景，我就有股说不出的滋味，心想要是刘老师有个小房子在学校那该多好啊。刘老师真的很辛苦，白天要在明阳、长岗两个校区上课，有时候晚上在长岗校区辅导完我们的毕业设计后，回到家还要准备明天的课。看到刘老师那么的忙碌，劳累，我很担心她的身体，所以我在弄毕业设计的过程中遇到的难题都是尽力的想方设法自己独立去解决，实在解决不了的再去麻烦刘老师。刘老师指导我们的方式是授之于鱼而不如授之于渔，刘老师教会我们的是学习方法，怎么去找资料，怎么去解决问题。在撰写毕业论文的过程中刘老师教会了我们很多东西，小到怎么查询、检索文献，怎么弄目录，怎么排版，怎么做会议记录，怎么用Word文档里的超链接，大到怎么做人做事。刘老师也曾告诫我们不要到最后做不出设计而拿毕业论文作为备胎，这无形之中给我施加了压力。MATLAB是一个纯英文式的软件，要搭好仿真电路调好参数是件不易的事情，我曾为了调好参数连续熬夜，连做梦也梦到自己在不停的调参数，直到把波形调出来才缓过来。我完全理解刘老师的用心良苦，她完全出于真心的对我们好，她就是想让我们在毕业前夕能真真正正的学到点东西。刘老师要是不给我们施加压力，我们就不会那么重视毕业设计，就不会激发出我们巨大的潜能，我们就不会得到大学时光最后的磨练。做好一份毕业设计是最