直流斩波电路设计与仿真

电力电子技术课程设计报告名字：学位：班级：指导老师：专家：设计时间：目录1 .降压斩波电路61 .直流斩波电路的工作原理和输出输入关系12二. D c/D C变换器的设计18三.考试结果194 .直流斩波电路的建模和模拟.295 .课程体会和总结.306 .参考文献31摘要介绍了具有新升降压功能的DC/DC变换器的设计和实现，具体分析了该DC/DC变换器的设计(拓扑、工作模式和储能电感的参数设计)，详细叙述了该DC/DC变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果关键词： DC/DC转换器、降压斩波器、升压斩波器、蓄电电感、直流开关电源、PWM； 直流脉冲宽度调速1 .降压斩波电路1.1降压斩波原理：式中v导通的时间即v截止的时间t由于开关周期导通占空比，所以简称为占空比的火导通比。根据输出电压平均值的调制方式，斩波电路有以下三种控制方式1 )将开关周期t保持一定，不改变开关的导通时间称为PWM。2 )使开关的导通时间保持一定，使开关周期t变化，称为频率调制或频率调制型。调整3 )和t使占空比变化，称为混合型。1.2工作原理1 )在t=0的时刻v导通，电源e向负载供给电力，负载电压uo=E，负载电流io呈指数曲线上升2 )在2)t=t1时刻控制v截止，负载电流经由二极管VD回流，负载电压uo几乎为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了连续且减小负载电流波动，通常，增大串联连接的电感l的值基于l“分段线性”思想分析降压斩波电路l从能量传递关系导出由于l无限大，所以负载电流维持Io不变l电源仅在v接通时供给能量，设为e在l全周期t中，负载消耗的能量为(RT T )如果在一个周期内忽略损失，电源供给的能量就和负载消耗的能量相同输出功率等于输入功率，降压斩波器可以视为直流降压变压器该电路使用一个全控制元件v，中途是IGBT，也可以使用其他元件，在使用晶闸管的情况下，需要设置晶闸管关断的辅助电路。 由于用v切断的是负载的电线杆电流供给路径，因此设置了回流二极管VD。 斩波电路的典型用途之一是拖直流电动机，也可以有电池负载。 在两种情况下，会产生反电动势。在具有升降压功能的非绝缘式DC/DC转换器中，Buck-Boost转换器和Cuk转换器为负极性输出，Sepic转换器和Zeta转换器为正极性输出，但这两个转换器结构复杂，都需要蓄电电感气量大。 本文针对实际研究项目提出的要求，不采用上述各种变换器，设计了一种新的具有升降压功能和正极性输出的D C/D C变换器，采用该D C/D C变换器开发出了满足技术指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用价值。直流系统的调速是电力晶闸管、移相控制电路、转速、电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路以及缺相和过电流保护电路，通常使直流电动机的转速人为地或自动地变化以满足工作机械的要求。 机械特性是通过改变电动机的参数和加工电压等方法，改变电动机的机械特性，改变电动机的机械特性和动作特性的机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。PWM控制技术是广泛应用于控制领域的技术，其原理是，在脉冲量相等、形状相通的窄脉冲中加到惯性环节上，效果几乎相通。 在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调整的直流电压外，还利用其他电力电子部件的控制性能，采用脉冲宽度调制技术，将一定的直流电压调制成直接极性可变、大小可调整的直流电压， 实现直流电机电枢两端电压的平滑调整，随着构成直流脉冲宽度调速系统的电力电子器件的迅速发展，可以实现栅极关断晶体管GTO、全控制功率晶体管GTR、P-MOSFET， 由绝缘栅极晶体管IGBT等大功率全控制型器件构成的晶体管脉冲宽度调制型开关放大器(Pulse Width Modulated )逐渐发展，用途广泛。调速通常通过规定的环节、中间放大环节、校正环节、反馈环节和保护环节等来实现。 电动机的转速无法自动修正与规定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。 该调速系统电动机的转速受到负载变动和电源电压变动等干扰的影响。 电动机的转速可以自动地修正与规定转速的偏差，不受负荷和电网的电压变动等干扰的影响，使电动机的转速总是与规定转速一致的调速系统被称为闭环控制系统。 这是因为闭环控制系统具有反馈环。IGBT是强电流、高压应用和高速终端用垂直功率MOSFET的自然进化。 虽然为了实现高击穿电压BVDSS需要源漏沟道，但是由于该沟道具有高电阻率，所以功率MOSFET具有RDS(on )值高的特征，IGBT解决了现有功率MOSFET的这些主要缺点。 最新一代功率MOSFET器件大大改善了RDS(on )特性，但在高电平的情况下，功率on损失比IGBT技术高得多。 低电压降根据转换为低VCE(sat )的能力和IGBT的结构，与相同的标准双极设备相比，支持更高的电流密度，并可简化IGBT驱动器的电路图。一个晶闸管直流调速系统由转速的规定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电机等环节组成。 这些部分根据用户的请求首先选择和确定，构成系统的固有部分。 仅由这些固有部分构成的系统难以满足生产机械的全面要求，特别是对系统的动态性能的要求，为了设计有时不稳定、静态地适用的调速系统，特别是为了满足对动态性能的要求，必须校正系统。 即，通过对由上述固有部分构成的调速系统加上另一个校正，系统的动态性能也能满足指标的要求。 本文中的双闭环可逆PWM调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调整的PWM波，其中包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出晶体管等环节，是典型的性能优异的开关由于电路具有开关频率高的特点，直流脉冲宽度调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有很大的优势。 例如主电路线路简单，所需功率元件少，低速性能好，稳定速度精度高，所以调速范围宽，开关频率高，电流容易连续，高次谐波少，电动机损耗和发热少，调速装置的效率和电网的功率要素高，系统的带宽、2 .直流斩波电路的工作原理和输出输入关系2.1升压斩波电路(展位chopper )升压斩波电路假设l和c的值很大。在接通状态下，电源e被充电至电感器l，并且电流恒定，电容器c向负载r供给电力，并且输出电压恒定。断开时，电源e和电感器l同时对电容器c充电，向负载供给能量。假设v接通的时间，在这个阶段l中积蓄的能量如果设v截止时间，则在此期间电感l放出能量是因为稳定时，一个周期t中的l积蓄能和放出能相等：=简单化升压比升压比的倒数为，即和的关系： a =1输出电压是2.2升压斩波电路(buck -boost Chopper )升降压斩波电路在v接通时，电源e经由v向l供给电力并进行储藏，此时电流同时，c维持输出电压恒定，从而向负载r供给电力。v关闭时，l的能量释放到负载，电流为。 负载电压的极性上下正，与电源电压的极性相反的情况。在稳定时，一个周期t内电感l的两端电压相对于时间的积分为零，即输出电压是(v接通的时间，v关断的时间)D c/D C转换器的设计3.1转换器拓扑图l图示了设计新DC/DC转换器的拓扑。 该DC/DC转换器是前后级的串联结构，前级由T1、T3、D1、d、I、c、R1、r构成降压转换电路，后级由t、d、I、c构成升压转换电路，Dz、I、c都出现在前级、后级的转换电路中。由图1可知，用PWM方式控制了两个主开关管t。 Tz有一定的困难。 因为那些控制方没有共享。 为了实现双向控制信号的接地，只能选择功率晶体管。 因此，图1所示的主转换电路具有附加的辅助开关管T1和t。 从NPN类型变更为PNP类型类型，显然是t。 t是接地，t、T3是同步开关，这实现了双向控制信号的接地。 这样，本来就控制t。 t。 控制电路的动作状态，现在用t、t控制。 降压斩波辅助开关，称为t。 升压斩波器主开关，称为t。 称为降压斩波器主开关。工作模式分析假定所使用的电力电子部件的理想、电感和电容器是无损耗的理想存储元件，忽略线路阻抗，转换器始终处于电流连续状态。 DC/DC转换器有两种典型操作模式： 降压操作模式和升压操作模式，下面分析它们的操作模式。 1.2.1降压动作模式t关闭，t以PWM方式动作，转换器降压动作模式。 此时，逆变器与bucket逆变器相比，只有一个二极管Dz，该二极管的接通不影响bucket逆变器的动作。 因此，处于降压动作模式的转换器与Buck转换器等价，对应的电压转换关系如下所示(1)式中： Ui的输入电压Uo的输出电压t的占空比。升压动作模式当t全部导通时，t以PWM方式动作，变频器变为升压动作模式。 在这种情况下，逆变器与升压转换器相比，全导通的开关管t增1。 二极管d和这两个装置的添加对升压转换器的操作没有任何影响影响。 因此，处于升压动作模式的转换器升压转换器，对应的电压转换关系如下(2)式中： Ui的输入电压Uo的输出电压- T2的占空比。 以这种方式，D C/D C转换器串联连接Buck和Boost两个转换器，并且穿过两个开关管理t和t。 的协调控制获得降压工作模式和升压工作模式，实现降压功能和正极性输出。 理想地，转换器的电压转换关系是降压动作模式时升压动作模式时储能电感参数的设计。从图1的拓扑结构可以看出，由于该DC/DC转换器只存储了一个存储元件，所以l与降压和升压不同的操作模式相适应，无论转换器处于哪种操作模式，l都存储了足够的能量，而PWM 因此，l是该DC/DC转换器的重要组件，其参数的选择直接影响转换器是否正常工作。 考虑到最典型的情况，当输入电压的变化范围为=时，假定逆变器处于降压操作模式=，则逆变器处于升压操作模式。 因此，根据式(1)、Uo可以得到T1的最小占空比的式(2)及Uo得到t。 的最大占空比。 由于分别表示两种动作模式下的l的极端的动作状态，因此通过分别计算两种动作状态下的电感量，并将其中较大的一方作为l的设计参数，从而l能够同时满足两种动作模式的要求。 具体的设计步骤如下(1)处于极端降压动作状态时，(-，=O )电感量l的计算式：3.2 D C/D C转换器控制系统的原理和实现控制原理图2表示该DC/DC转换器的控制系统的控制原理方框图4，其应用背景是卫星储藏/姿态控制两用飞轮能量再生系统。 控制系统采用电压、电流双闭环串联控制结构，外环是电压环，内环是电流环。 控制原理是将电压供给u与电压反馈u进行比较，得到的电压误差经由电压调节器输出供给电流，r与电流反馈I进行比较，得到的电流误差经由电流调节器输出输出与PWM波对应的脉冲宽度，然后经由PWM控制输出哪个开关上述双闭环控制，对于以PWM方式进行动作的交换管理来说。 由于逆变器采用两种交换管的协调控制，所以两种不同的工作模式为了支持两种不同的PWM交换方式，必须设计并实现对应的控制逻辑分配单元。 这在图2中表示为PWM控制单元。3.3实现控制控制系统的设计可以采用模拟控制方式和数字控制方式，这里用模拟控制方式叙述该DC/DC转换器控制系统的实现。检测控制电路由两级PI调节器、PWM波发生电路、驱动电路、故障检测和保护电路等构成。 二级PI调节器是控制电路的核心控制单元，二级都是带限位输出的PI调节器，前级是电压调节器，后级是电流调节器，前后级串联地构成以输出电压为主控制对象、以输出电流为副控制对象的双回路控制系统。 电压环的作用是稳定输出电压保证输出因输入电压和负载干扰而稳定。 由于电流环在稳定时遵循电压环，系统动态响应快，调节性能好，也容易实现电流限制和过电流保护。 电压调节器的输出是电流调节器的