PWM控制斩波电路及仿真

1、 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：pwm控斩波电路的设计 院（系）：院（系）： 工程技术学院工程技术学院 专业班级：专业班级： 电气电气121121 学学 号：号： 121902020 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：202010-12-15至至2011-12-26 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算。 学 号121902020学生姓名韩铎专业班级电气12

2、1 课程设计 （论文） 题目 pwm控制斩波电路的设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 pwm 控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件 igbt 的导通和关 断，实现整个系统的运行。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具 体型号。4、确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或选择。6、绘制相关电 路图。7、完成 4000 字左右说明书。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。

3、 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、开关管的开关频率fs=40khz。2、最大占空比，选择dmax=50%。3、电容 选取两个470uf/25v的电容并联。4、电阻取用0.4欧姆的电阻。5、根据实际工 作情况，最小控制角取20300左右。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主电路 设计；第 5 天：选择器件；第 6 天：确定变压器变比及容量；第 7 天：确定平 波电抗器；第 8 天：触发电路设计；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天：答 辩。 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年

4、 月 日 摘要 提出一个基于 pwm 控制的斩波电路控制系统，本课程设计主要应用了 matlab 软件及其组件之一 simulink 进行系统的设计，pwm 控制部分为主电路部分提供脉 冲信号，控制全控器件 igbt 的导通和关断，实现整个系统的运行。用 simulink 提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成 整个 buck 变换器的研究与设计。 关键词：pwm；buck 电路；控制；simulink 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 电力电子技术概况.1 1.2 本文研究内容.1 第 2 章 pwm 控制斩波电路的设计.2 2.1 pwm 控制斩波电路总

5、体设计方案.2 2.2 具体电路设计.2 2.2.1 主电路设计.2 2.2.2 控制设计.3 2.2.3 保护电路设计.5 2.3 buck 主电路参数设计.5 2.3.1 参数设计原理.8 2.3.4 采样电阻的选.8 2.4 原件型号选择.8 2.4.1 元件清单及参数设置 .8 2.4.2 电力二级管模式.9 2.4.3 电压电流测量模块.10 2.4.4 示波器模块.10 2.4.5pwm 脉冲模块.10 2.5 系统仿真.11 2.5.1 主电路框图.11 2.5.2 仿真波形.11 第 3 章 课程设计总结.12 3.1 心得体会.12 3.2 设计总结.12 参考文献.13 第

6、 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 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)。直流斩波电路一 般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习 惯上，dc-dc 变换器包括以上两种情况。 直流斩波电路的种类较多，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 斩波电路和 zeta 斩波电路，其 中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解 了这两种电路可为理解其他的电路打下基础

7、。 利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波 电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多 相多重斩波电路。 直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。 全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（igbt）综合了 gtr 和电力 mosfet 的优点， 具有良好的特性。目前已取代了原来 gtr 和一部分电力 mosfet 的市场，应用领 域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。 matlab 是矩阵实验室 matrix laboratory 的简称，是美国 mathworks 公司出 品的商业数学软件，用于算法开发、数

8、据可视化、数据分析以及数值计算的高级 技术计算语言和交互式环境，simulink 是 matlab 软件的扩展它是实现动态系统 建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在 simulink 中来完成电路 的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用 matlab/simulink 工具分析系 统的基本方法。 1.2 本文研究内容 本课程设计主要应用了 matlab 软件及其组件之一 simulink 进行系统的设计 与仿真系统主要包括：buck 降压斩波主电路部分、pwm 控制部分和负载。buck 降 压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际 负载中没有反电

9、动势，只需令其为零即可1。 pwm 控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件 igbt 的导通和关断， 实现整个系统的运行。在 simulink 中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿 真和调试，用 simulink 提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计 算，最后进行总结，完成整个 buck 变换器的研究与设计2。 第 2 章 pwm 控制斩波电路的设计 2.1 pwm 控制斩波电路总体设计方案. 本课程设计主要应用了 matlab 软件及其组件之一 simulink 进行系统的设计 与仿真系统主要包括：buck 降压斩波主电路部分、pwm 控制部分和负载。buck 降 压斩

10、波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际 负载中没有反电动势，只需令其为零即可1。pwm 控制部分为主电路部分提供脉 冲信号，控制全控器件 igbt 的导通和关断，实现整个系统的运行。在 simulink 中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用 simulink 提供的示波 器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个 buck 变换器的研究与设计2。 系统框图如图 2.1 所示: 图 2.1 buck 变换器系统结构总框图 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 buck 变换器的基本原理：buck 电路是由晶体开关管 v、续流

11、二极管 vd 和 lc 输出滤波器组成，图中 rl 表示负载。 其电路图如图 2.2： 图 2.2 buck 降压斩波电路图 稳态时，v 周期性的导通和关断，将直流输入电压斩波、生成脉宽为 ton 的 矩形波脉冲电压；然后再由 lc 滤波器滤波，当 lc 足够大时输出电压的纹波足够 小，可以认为是平滑直流电压，稳态时根据电感电流是否连续，buck 变换器有连 续和不连续两种工作模式。 igbt 的等效电路如图 2.3 所示。由图可知，若在 igbt 的栅极和发射极之间 加上驱动正电压,则 igbt 导通，这样 pnp 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态 而使得晶体管导通；若 igbt 的栅极和

12、发射极之间电压为 0v，则 igbt 截止，切断 pnp 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止5。 图 2.3 igbt 的等效电路 由此可知，igbt 的安全可靠与否主要由以下因素决定： igbt 栅极与发 射极之间的电压； igbt 集电极与发射极之间的电压； 流过 igbt 集电 极发射极的电流； igbt 的结温。 如果 igbt 栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则 igbt 不能稳定正 常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则 igbt 可能永久性损坏；同 样，如果加在 igbt 集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压， 流过 igbt 集电极发射极的电流超过

13、集电极发射极允许的最大电流，igbt 的结 温超过其结温的允许值，igbt 都可能会永久性损坏6。 2.2.2 控制设计 控制方式选择：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(时间比控制方式)： （1）脉冲宽度调制（pwm）：t 不变，改变 ton。 （定频调宽控制模式） （2）频率调制：ton 不变，改变 t。 （定宽调频控制模式） （3）混合型：ton 和 t 都可调，改变占空比。 （调宽调频混合控制模式） 本次课程设计选用第一种方式。 pwm 控制的基本原理：脉冲宽度调制（pwm）是英文 “pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是

14、利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功 率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体 管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定3。 pwm 波的分类：根据 pwm 波形的幅值是否相等，pwm 波可分为等幅 pwm 波和 不等幅 pwm 波。由直流电源产生的 pwm 波通常是等幅 pwm 波，如直流斩波电路和 pwm 整流电路等；当输入电源是交流时，得到的即为不等幅 pwm 波，都基于面积 等效原理，本质是相同的。根据所控制电路的不同，

15、pwm 波又可分为电压波和电 流波4。 pwm 的产生原理：pwm 可以通过芯片和软件来实现，在此我选择的是软件实 现，通过对单片机的 p3 的第七个管脚编程来产生 40khz 的 pwm，其占空比是 56%。其原理图如图 2.4 所示： 图 2.4 pwm 产生电路图 pwm 放大原理：由单片机产生的 pwm 的一个缺点就是驱动能力不足，所以在 单片机的 p3 的第七个管脚需要加一个驱动电路，需要使用芯片 ir2101 来获得足 够大的电压来驱动场效应管。如图 2.5 所示为 ir2101 的芯片管脚： 图 2.5 ir2101 引脚图 其引脚作用如图 2.6 所示： 图 2.6 管脚功能图

16、 2.3buck 主电路参数设计 2.3.1 参数选择原理 在 buck 电路中的电感 l 和电容 c 组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是， 使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。 但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美 的滤波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐 波。因此，输出电压波形事实上如图 2.7 所示，可以表达为7： 图 2.7 电压波形图 所以实际的输出电压由所需要的直流分量 uo 加少量的交流分量 uripple 所 组成，交流分量由低通滤波器未能完全衰减的开关谐波所产生8。 由于直流变

17、换器的作用使产生所需的直流的输出，因此希望输出电压开关纹 波很小。所以，通常可以假设开关纹波的幅值远远小于直流分量，即： |uripple|maxelements 选择 “series rlc branch”阻感容串联模块。在 simulink 模块库中没有专用的电阻、 电感、电容模块它们均可以通过 series rlc branch 模块通过参数的设置来实 现.双击进入设置模块，在进行设置即可，如图 2.10 所示： 图 2.10 阻感容串联模块 2.4.2 电力二极管模块 在 simpowersystempower electronics 选择“diode”电力二极管模块，模 块如图 2.

18、11 所示，参数设置如图 2.12 所示: 在 simpowersystempower electronics 选择全控型“igbt”模块，模块如 图 2.13 所示，参数设置如图 2.14 所示： 2.4.3 电压电流测量模块 在 simpowersystemmeasurements 选择“voltage measurement”电压测量 模块和“current measurement”电流测量模块，通过这些模块,可以方便的与示 波器模块相连接来进行参数的测量。模块如图 2.15 所示： 图 2.15 电流与电压表 2.4.4 示波器模块 在 simulinksinks 选择“scope”示

19、波器模块，用来与电压和电流测量模块 配合使用，显示测量点的电压或电流波形。 “scope”示波器模块可以参数设置测 量输入端的数目，也就是说可以同时进行多路的测量，既可以是电压，也可以是 电流，仿真时可以通过双击示波器模块，打开显示波形的界面，该界面有很多按 钮，可以进行 x 轴和 y 轴的放大显示，方便观察测量的波形，选择 “parameters”按钮模块，打开示波器的属性设置窗口，在 number of axes 中 输入需要的端口数目即可。模块如图 2.16 所示： 图 2.16 示波器 2.4.5 pwm 脉冲模块 在 simulinksources 选择“pulse generato

20、r”模块，用来模拟 pwm 控制电 路和驱动电路，该模块通过参数的设置，可以实现任意周期，任意宽度，任意幅 值的脉冲信号，模块如图 18 所示：参数设置如图 19 所示： 图 2.17 模拟 pwm 控制电路 图 2.18 模拟 pwm 参数设置 2.5 系统仿真 2.5.1 主电路框图 在 simulink 中选择 filenewmodel,即可创建以一个由工具栏和绘图区构成 的文件，将选择的各个模块从库中拖到新建的绘图区，进行连线，即可完成电路 图的绘制。电路图如图 2.19 所示。 图 2.19 buck 主电路仿真图 2.5.2 仿真波形 设置仿真时间为 1s，仿真过程中或仿真结束后，

21、双击示波器模块，即可查看 各个测量点的波形： （1）未放置电容 lc 时，斩波波形：如图 2.20 所示为斩波电路电流（上） 与电压（下）波形图： 图 2.20 展播电路仿真波形 (2)放置电容 lc 并调好参数时，占空比为 50%和占空比 20%的波形比较如 图 2.21: 图 2.21 电压比较图 第 3 章 课程设计总结 3.1 心得体会 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很 多同学都没有过深入的交流。在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每 个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决 的问题，在交流中大家积极发言和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此 过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。比较选 出最好的方案。在这过程也提高了我们的表达能力。 在设计的过程中我们还得 到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老 师请教或向同学讨论是一个很好的方法。 3.2 设计总结 本次电子课程设计针对 buck 变换器进行了详细的介绍，包括 buck 电路的工 作原理分析、bu