电力电子课设升降压仿真.doc

指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院电力电子技术课程设计报告 设计题目：DC-DC升降压变换器设计与仿真研究 单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 设计时间： 2012年6月重庆邮电大学自动化学院制目 录一文献综述3二设计目的和意义3三设计原理43.1降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理43.2升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理83.3升降压斩波电路工作原理93.4 Cuk斩波电路的工作原理11四 升降压斩波电路仿真步骤和结果分析124.1升降压斩波电路仿真步骤124.2 不同占空比的仿真结果134.3仿真结果分析和结论15五 Cuk斩波电路仿真步骤和结果分析155.1升降压斩波电路仿真步骤155.2 不同占空比的仿真结果165.3仿真结果分析和结论18六 一种新型的升降压变换器的简单概述196.1 变换器拓扑结构196.2 工作模式的分析19七设计的心得体会20八参考文献21摘 要 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)。直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波BoostBuck和Cuk电路进行了较详细的仿真分析。本文先分析了降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路和Cuk斩波电路的工作原理，又用Matlab对升压-降压变换器和Cuk斩波电路进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。在这样的基础上，通过查资料，设计出了一种新型的DC-DC升降压变换器并对其原理进行了分析。关键字：升降压斩波 Cuk斩波 Simulink仿真 新型升降压斩波 Abstract DC Chopper circuit (DC Chopper) function is will direct current into another fixed voltage or adjustable voltage DC, also called direct DC-DC Converter (DC/DC Converter). Dc chopper circuit in a variety of types, including six basic chopped circuit: buck chopped circuit, boost the chopper circuit, lift pressure chopped circuit, Cuk chopped circuit, Sepic chopped circuit, Zeta chopped circuit, before two kinds are the most basic circuit. Matlab simulation tool the visualization of established Simulink simulation model of the circuit, and based on this, to lift pressure Boost chopper-Buck and Cuk circuit in detail the simulation analysis. This paper first analyzes the buck chopped circuit, boost the chopper circuit, lift pressure chopped circuit and Cuk chopped electric circuit principle of work, and Matlab to boost-step-down converter and Cuk chopped circuit simulation modeling, finally to the simulation results were analysed. On such a basis, through the check material, designed a new type of DC-DC lift pressure converter and the principle is analyzed.Key words: lift pressure chopped Cuk chopped Simulink new lift pressure the chopper一文献综述当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（8090）%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。直流斩波电路的应用非常广，但在实际产品中应用时也存在一些问题：首先电源系统本身的耗能元件如电源内阻、滤波器阻抗、连接导线及接触电阻等都会引起系统损耗。可控型器件IGBT的栅极电阻Rg会随着驱动器件电流额定值的增大而减小，而栅极电阻Rg的变化又会对电路的性能产生影响。以及驱动电路如何实现过电流电压保护问题。二设计目的和意义通过本次设计，希望达到以下目的：1、理解直流斩波电路中：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握着两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上会对直流斩波电路进行分析计算，加深对直流斩波电路的掌握及应用。2、掌握应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立电路的仿真模型的方法，在此基础上对升降压斩波BoostBuck电路进行详细的仿真分析，以提高设计建模的能力及加强对Matlab/Simulink软件的熟练程度。3、认真分析总结仿真结果，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较，总结结论，体会Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的应用价值。三设计原理3.1降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理a) 原理图b) 电流连续时的波形图图（1） 降压斩波电路的原理图及波形图降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图（1）所示。该电路使用一个全控型器件V图中为IGBT，也可以使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图（1）中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可以拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载均会出现反电动势，若负载中无反电动势时，只需令Em=0，以下的分析及表达式均可适用。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，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L值较大。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为： （1-1）式中，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。由图可知，输出到负载的电压平均值最大为E。减小占空比，随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使用其英文名称，称为buck变换器（Buck Converter）。负载电流平均值为： （1-2）若负载中L值较小，在V关断后，到了时刻，如图5-1c所示，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。根据对输出电压平均值调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）或脉冲调宽型。（2）保持开关戴用时间不变，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。在器件V处于通态期间，设负载电流为，可列出如下方程 （1-3） 设此阶段电流初值为，解上式得 (1-4） 在V处于断态期间，设负载电流为，可列出如下方程: （1-5） 设此阶段电流初值为，解上式得 （1-6） 当电流连续时，有 （1-7） （1-8） 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，V进入段态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。由上式可得出 （1-9） （1-10）式中，。 由图可知，和分别是负载电流瞬时值的最大值和最小值。 把上面上式用泰勒级数近似，可得 （1-11）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。以上关系式还可以从能量传递关系简单地推得。由于无穷大，故负载电流维持为，不变。电源只在V处于通态时提供能量，为。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为。一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 （1-12）则 （1-13）与上述结论一致。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，假设电流平均值为，则有： （1-14）其值小于等于负载电流，由上式得： （1-15）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。假如负载中值较小，则有可能出现负载电流断续的情况。利用与前面类似的解析方法，可对电流断续的情况进行解析。电流断续时有，且时，利用式(1-4)和(1-6)可求出为： （1-16）电流断续时，由此得出电流断续的条件为： （1-17）对于电路的具体工况，可根据此式判断负载电流是否连续。在负载电流断续工作的情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于。输出电压平均值为： （1-18）不仅与占空比有关，也和反电动势有关。此时负载电流平均值为： （1-19）3.2升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理a) 原理图b) 波形图图（2） 升压斩波电路的原理图及波形图 分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中的电感值很大，电容值也很大。当可控开关V处于通态时，电源向电感充电，充电电流基本恒定为,同时电容上的电压向负载供电。因值很大，基本保持输出电压为恒定值，记为。设V处于通态的时间为，此阶段电感上积蓄的能量为。当V处于断态时和共同向电容充电并向负载提供能量。设V处于断态的时间为，则在此期间电感释放的能量为(-)。当电路工作于稳态时，一个周期中电感积蓄的能量于释放的能量相等，即 =(-) （1-20） 化简得:= （1-21）式中，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也有文献中直接采用其英文名称，称之为(Boost Converter).式中表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，调节的方法与前面章节介绍的改变占空比的方法类似。将升压比的倒数记作，即=。则和占空比有如下关系： （1-22）因此，公式可表示为： = （1-23）升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感储能之后具有使电压汞升的作用，而是电容可输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容的作用使得输出电压不变，但实际上值不可能无穷大，在此阶段其向负载放点，必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式子所得结果。不过，在电容值足够大时，误差很小，基本可以忽略。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载消耗，即： （1-24）该式表明，与降压斩波电路一样，生涯斩波电路也可以看成是直流变压器。根据电路结构并结合式中得出输出电流的平均值为： （1-25） 由式子即可得出电源电流为 （1-26）3.3升降压斩波电路工作原理（1）V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。（2）V断时，L的能量向负载释放，电流为。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。a) 原理图b) 波形图图（3） 升压/降压斩波电路的原理图及波形图数量关系：稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即： （1-27）当V处于通态时，；当V处于断态时，；于是： （1-28）所以输出电压为： （1-29） 由此可见，改变导通占空比，就能够控制斩波电路输出电压U。的大小。当01/2时为降压，当1/21时为升压，故称作升降压斩波电路。图（3）b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有： （1-30）由上式可得： （1-31）如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则： （1-32）其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。3.4 Cuk斩波电路的工作原理（1）V通时，E-L1-V回路和RL2CV回路有电流。 （2）V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。 （3）输出电压的极性与电源电压极性相反。 （4）电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图(4) Cuk斩波电路及其等效电路 数量关系：V处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。V处于断态的时间，则电容电流和时间的乘积为。由此可得： (1-33) (1-34)优点：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。4 升降压斩波电路仿真步骤和结果分析4.1升降压斩波电路仿真步骤1.根据升降压斩波电路原理图，建立升压-降压式变换器仿真模型，如图（5）所示：图（5）升压-降压式变换器仿真模型2.由IGBT构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参数设置：（1）电压源参数取Uo=100V； （2）IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路；（3）二极管按默认参数设置；（4）负载参数取R50 ，C3e06 F；（5）电感支路L95e-5H（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002 s；（7）控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为10、25%、50、75%。4.2 不同占空比的仿真结果1.脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的10%，仿真结果如图（6）所示：图（6）控制脉冲占空比10%从图(6)可以看出，负载上平均电压大约为11 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。2.脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的25%，仿真结果如图（7）所示：图（7）控制脉冲占空比25%从图(7)可以看出，负载上平均电压大约为33 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。3.脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的50%，仿真结果如图（8）所示:图（8）控制脉冲占空比50%从图(8)可以看出，负载上平均电压大约为100 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。4.脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的75%，仿真结果如图（9）所示：图（9）脉冲占空比75%从图(9)以看出，负载上平均电压大约为300V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。4.3仿真结果分析和结论(1) 直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。(2) 升降压斩波电路（Boost- Buck Chopper）能够方便的调节输出电压，由于输出电压为： ；若改变导通比，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低，当01/2时为降压，当1/21时为升压，轻松实现直流变换中的升压和降压作用，工业生产应用广泛。(3) 直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。(4) 采用Matlab/Simulink对直流斩波电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。(5) 应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况，方便学习与研究。5 Cuk斩波电路仿真步骤和结果分析5.1升降压斩波电路仿真步骤1.根据Cuk斩波电路原理图，建立Cuk变换器仿真模型，如图（10）所示：图（10）升压-降压式变换器仿真模型2. 由IGBT构成直流Cuk斩波电路的建模和参数设置：（1）电压源参数取Uo=100V； （2）IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路；（3）二极管按默认参数设置；（4）负载参数取R50 ，C3e06 F；（5）电感支路L95e-5H（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002 s；（7）控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为25%、50、75%。5.2 不同占空比的仿真结果1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的25%，仿真结果如图（11）所示：图（11）控制脉冲占空比25%从图（11）可以看出，负载上平均电压大约为33 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。2、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的50%，仿真结果如图（12）所示：图（12）控制脉冲占空比50%从图(12)可以看出，负载上平均电压大约为100 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的75%，仿真结果如图（13）所示：图（13）脉冲占空比75%从图(13)以看出，负载上平均电压大约为300V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：，Uo与E极性相反；仿真结果与升降压斩波理论吻合。5.3仿真结果分析和结论1、Cuk斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，使用Cuk斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。2、Cuk斩波电路能够方便的调节输出电压，由于输出电压为： ；若改变导通比，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低，当01/2时为降压，当1/21时为升压，轻松实现直流变换中的升压和降压作用，工业生产应用广泛。3、Cuk斩波电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。 4、优点：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于滤波。6 一种新型的升降压变换器的简单概述6.1 变换器拓扑结构图（14）所示是设计新颖的DCDC变换器的拓扑结构。该DCDC变换器为前后级串联结构，前级是由、L、C、构成降压变换电路，后级是由、L、C构成升压变换电路，其中、L、C均出现在前、后级变电路中。图（14）新型的DCDC变换器的原理图从图（14）中可以看出，采用PWM 方式控制两个主开关管、存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。为此，在图（14）所示的主变换电路中增加了辅助开关管，且由NPN型改为PNP型，显然、是共地的，、是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。这样，原本通过控制、来控制电路的工作状态，现在是通过、来控制，称为降压斩波辅助开关，称为升压斩波主开关、称为降压斩波主开关。6.2 工作模式的分析假设所用电力电子器件理想、电感和电容均为无损耗的理想储能元件以及不计线路阻抗，且变换器始终处于电流连续的状态。该DCDC变换器有两种典型的工作模式降压工作模式和升压工作模式，下面分别来分析这两种工作模式。降压工作模式：当截止，以PWM 方式工作，变换器处于降压工作模式。此时，变换器与Buck变换器相比仅仅是多了一个二极管，而这一个二极管的加入对Buck变换器的工作无任何影响。因此，处于降压工作模式的变换器等效于Buck变换器，相应的电压变换关系为： 式中：Ui输入电压；Uo输出电压； T的占空比。升压工作模式：当全导通，以PWM 方式工作，变换器处于升压工作模式。此时，变换器与Boost变换器相. 比多了一个全导通的开关管和一个二极管，而这两个器件的加入对Boost变换器的工作无任何影响。因此，处于升压工作模式的变换器等效于Boost变换器，相应的电压变换关系为： 式中：