直流升降压斩波电路的设计.doc

摘 要20世纪80年代以来 ，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。利用全控型器件可以组成变流器。直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。直流直流变流电路（DC-DC Converter）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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），它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。本文着重介绍升降压斩波电路的原理和基于matlab的simulink的升降压斩波电路的仿真以及用一种芯片的方法实现升降压斩波。关键词: 直流直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真目 录1 绪论11.1电力电子技术的概况11.2电力电子技术的发展11.3电力电子技术的重要应用22 总体方案设计32.1设计要求32.2升降压斩波电路整体设计方案32.3方案确定33 主电路设计43.1主电路原理43.2波形图53.3主要元器件选择64 控制与驱动电路设计74.1控制电路设计74.2驱动电路设计85 保护电路设计95.1过电流保护95.2过电压保护9 6 仿真分析106.1仿真软件介绍106.2建立仿真模型106.3仿真结果分析12结束语15参考文献16致谢17附录18II1绪论1.1电力电子技术的内容电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。 在电力电子技术中, 将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换, 称为直流-直流变换。直流变换电路的用途非常广泛, 包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正, 以及用于其他领域的交直流电源。1.2 电力电子技术的发展 电力电子技术包括功率半导体器件、功率变换技术及控制技术等几个方面。其中电力电子器件是电力电子技术的核心和基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1957年美国通用电气公司（GE）研制出世界上第一只工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器（如水银整流器）进入由电力电子器件构成的静止式半导体变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。我国电力电子的起步可追溯到上世纪50年代末。50年代末研制出第一只整流管，60年代初研制出第一只晶闸管和晶体管。经过近二十年的工艺完善和应用开发，到上世纪70年代，普通晶闸管（不能自关断，属于半控型器件）已趋于成熟，形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。上世纪70年代后期，以门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）、功率场效应管（PowerMOSFET）为代表的全控型器件（通过对门极（栅极）或基极的控制，可以使其开通，又可以使其关断）全速发展。上世纪80年代后期，以绝缘栅双极晶体管IGBT和功率MOSFET为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的相继问世，是传统电力电子向现代电力电子转化的标志。1.3电力电子技术的重要作用 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。2总体方案设计2.1设计要求设计一个直流升降压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在100300V连续可调，其它性能指标自定。2.2升降压直流斩波电路总体设计方案直流斩波电路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。它在电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。电路的结构框图如图1所示。图 1 总体设计方案除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电器隔离。2.3方案的确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和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力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。控制电路是用来产生升、降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制升、降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。3主电路设计3.1工作原理图1所示为升降压斩波电路（Buck-Boost Chopper）原理图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒值。图2 升降压斩波电路该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为，方向如图1所示。可见，负载电压极性为下正上负，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。稳态时，一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，即： (1)当V处于通态期间时，=E，而当V处于断态期间时，= -。于是所以输出电压为： (2)为V处于通态的时间，为V处于断态的时间。T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。若改变导通比，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当时为降压，当时为升压，因此该电路称为升降压斩波电路。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：（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间不变，称为PWM。（2）保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。（3）和T都可调，使占空比改变，称为混合型。3.2波形图输出电压 (3)图2给出了电源电流和负载电流的波形，设两者的平均值分别为、，当电流脉动足够小时，有 (4)由上式可得 (5)如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则有其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。图3 升降压斩波电路波形3.3主要元器件选择、参数分析考虑安全裕度则IGBT的额定电压为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为440V-660V。额定电流33A-44A。二极管VD的周瑜打反向电压为220V.选择IGBT的型号为IRH4PC40U其额定电压为600V，额定电流为40A。选择续流二极管的型号为HFA25TB60，期而定电压为600V，额定电流25A。（1）前级整流电路负载平均电压升高，纹波减小，且C越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压，一般取 d =C(35)T/2 (6)式中T为电源交流电压的周期。电容滤波电路的负载电压与的关系约为 =Y1.11.2 (7)令整流后输出电压为50V，则整流前输入电压=/1.2=50/1.2=41.7V (8)因为电源为交流单项220V，变压器变比需满足：=220:41.7=4:1 (9)此时前级整流输出电压E为50V。并且为满足输出电流最大2A，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为=/2=1A (10)变压器二次侧的电流2A，由变压器变比为4:1，流过一次侧的电流为0.5A。（2）输出直流电压 要求输出直流电压在10100V可调，由输出电压公式可知，当为10V时，占空比=1/6；当为100V时，占空比=2/3。即控制占空比在1/62/3之间，可得输出直流电压在10100V可调。为使电路正常工作驱动电路中R1、R2为1K，R3为5.1K，R4为10K，电位器R0为0100K，R5为10K。要求最大输出电流为2A，故负载功率范围为20200W，流过VT二极管、V三极管的最大电流为2A。熔断器的最大熔断电流为2A。可选WICKMANN 181 2A陶瓷管保险丝。（3）其他器件选择 整流电路中二极管选择为IN5232，驱动电路中二极管选择为IN4148，驱动电路中C1为0.01F。4控制与驱动电路的设计4.1控制电路的设计斩波电路有三种控制方式： （1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型； （2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；( 3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。其中第一种是最常用的方法。PWM控制信号的产生方法有很多。这里我使用的是IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。图4 控制电路原理图SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。4.2驱动电路设计IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电器隔离的部分。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点： 1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会 在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。 2）能向 IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。 3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动 信号超出此范围可能破坏栅极。 4）当 IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自 动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。 5保护电路设计5.1过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。 图5 快速熔断器5.2过电压保护用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图。 图6 过电压保护电路6仿真分析6.1 仿真软件简介此次仿真使用的是MATLAB软件。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写方程，而只需通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI）,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。6.2建立仿真模型仿真电路图如下所示：图7 仿真电路图具体参数设置如下：（1）直流电压值为100V，设置如图8所示。图8 电压参数设置（2）电阻R值设为20，如图9所示。 图9 电阻参数设置（3）电感L值设为1.8e-3H，如图10所示。 图10 电感参数设置（4）电容C值设为1e-3F，如图11所示。图11 电容参数设置（5）开关频率要求5KHz，设置周期为2e-4s，依次调节占空比，如图12所示。图12 周期及占空比参数设置6.3仿真结果分析（1）当占空比K=50%时，如果输入电压E=100V，则=0.5100（1-0.5）=100V，这时输出电压等于输入电压，是等压式变换，如图13所示图13 仿真波形图1（2）当占空比=70%时，如果输入电压E=100V，则=0.7100（1-0.7）=700/3V=233V，这时输出电压高于输入电压，是升压式变换，如图14所示。图14 仿真波形图2（3）当占空比=30%时，如果输入电压E=100V，则=0.3100（1-0.3）=300/7V=43V，这时输出电压低于输入电压，是降压式变换，如图15 图15 仿真波形图3结束语回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过