直流斩波PWM控制Matlab仿真

1、直流斩波PWM控制Matlab仿真 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 初始条件： 输入200V直流电压。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、要求得到0100V直流电压。 2、在Matlab/simulink中建立电路仿真模型； 3、对电路进行仿真； 4、得到结果并对结果进行分析； 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整

2、理，约占总时间的40%。 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录 摘要 . 1 1 概述及设计要求 . 2 1.1 概述 . 2 1.2 设计要求 . 2 2 降压斩波电路拓扑分析 . 3 2.1 降压斩波器基本拓扑 . 3 2.2 buck开关型调整器拓扑分析 . 3 2.3 降压斩波电路的重要参数计算方法 . 4 2.3.1 buck调整器的效率 . 4 2.3.2 buck调整器的理想开关频率 . 4 2.3.3 输出滤波电感的选择 . 5 2.3.4 输出滤波电容的选择 . 5 3 电路设计 . 6 3.1 buck主电路设计 . 6 3.2 脉宽调制

3、电路设计 . 7 3.3 MOS管驱动电路设计 . 8 3.4 系统工作总电路 . 8 4 Matlab建模仿真及分析 . 9 4.1 Matlab仿真模型的建立 . 9 4.2 Matlab仿真结果及分析 . 10 结束语 . 14 参考文献 . 15 摘要 随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小、重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。 DC/DC变换是将固定的直流电压

4、变换成可变的直流电压也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。斩波器的工作方式有脉宽调制方式（Ts不变改变ton）和频率调制方式（ton不变改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。 本次设计要求对直流斩波电路进行Matlab仿真，得到仿真结果，并加以分析，利用Matlab的sinulink工具箱来完成仿真任务。若想得到稳定的电压输出，要进一步研究PWM调节方式，通过施加反馈系统，得到稳定的输出电压。 关键字：降压斩波 Matlab仿真 PWM调节 1 1 概述及设计要求 1.1 概述 在电力电子技术中，将

5、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。 直流斩波PWM控制技术是采用脉宽调制技术通过对开关管的通断的占空比的控制来达到改变输出电压的目的。基本的拓扑结构包括降压斩波电路、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，其中降压斩波电路（buck）和升压斩波电路（boost）是应用最多也是最广泛的。根据本设计的设计指标要求，下面将对降压斩波电路进行原理图的设计及利用matlab软件进行仿真验证。 1.2

6、 设计要求 本设计要求输入200V直流电压，采用PWM斩波控制技术，得到得到0100V直流电压。并且建立Matlab仿真模型，对电路进行分析，得到结果并对结果进行分析。 2 2 降压斩波电路拓扑分析 根据题目要求，本设计采用降压斩波电路进行设计，利用PWM控制技术实现题目所要求的指标。 2.1 降压斩波器基本拓扑 图1 buck电路基本拓扑 Buck斩波电路如下图1所示，假设电路中电感L值、电容C值很大，当可控开关V开通时，电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流i0按指数曲线上升。当可控开关V关闭时，负载电流经二极管VD续流，负载电压U0近似为零，负载电流i0按指数曲线下降。当电路工作于

7、稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，设V通的时间为ton，。V关断的时间为toff，则负载电压的平均值为 t t U ?on?onE?aE0 ton?toffT 其中T为开关周期，a为导通占空比。 2.2 buck开关型调整器拓扑分析 图2 buck开关型调整器结构图3 对于图2所示的buck基本拓扑，属于开环控制，实际应用中如果出现电网波动，可能造成输出电压不稳，无法正常工作。而加入如图2-2所示的反馈调节电路，可是输出电压稳定。反馈过程如下：采样电阻R1和R2检测出U0，并将其输入误差放大器（EA） 与参考电压Vref进行比较。被放大的误差电压Vea被输入到电压比较器PWM中。PW

8、M比较器 的另一端输入是周期为T的锯齿波，其幅值一般为3V。PWM电压比较器产生矩形波脉冲（从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束）。因此，PWM输出的脉冲宽度Ton与误差放大器输出电压成比例。PWM脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关 管Q1的通断。若输入电压E稍升高，则EA输出电压Vea将降低使锯齿波与Vea交点提前，Q1导通时间Ton将缩短使输出电压U0?ETon/T维持不变，同理，当E下降时，使U0Ton增大，维持稳定。 2.3 降压斩波电路的重要参数计算方法 2.3.1 buck调整器的效率 针对图2-2所示拓扑结构，分析buck调整器的效率如下： 电路的所有损耗

9、只是Q1和D1的导通损耗加上Q1的交流开关损耗。Q1导通瞬间，Q1上升电流和下降电压有重叠，会造成导通损耗。而在Q1关断瞬间，下降电流和上升电压有重叠，会造成关断损耗。设直流输出电流为I0，由于在很宽的电流范围内，Q1和D1的导通压降近似为1V，所以导通损耗可表达为 ToffTonPs?L(Q1)?L(D1)?1I0?1I0?1I0TT 若忽略交流开关损耗，则效率为 Efficiency=P0V0I0V?0P0?PsV0I0?1I0V0?1 此公式是用于粗略的估计buck电路的效率，如果需要精确计算buck电路的效率，则还需进一步的计算交流开关损耗及了解开关管的工作状态。 2.3.2 buck

10、调整器的理想开关频率 buck调整器的开关频率的选择问题有两面需要考虑，一方面，适当的提高开关频率，可以减小电感和电容的体积，但另一方面，因为交流损耗与开关周期T成反比。缩短周 4 期会使损耗增大，则开关管需要更大的散热器以限制其升温。综上所述，开关管的开关频率不宜过高，一般在数十Hz到数百Hz之间。 2.3.3 输出滤波电感的选择 电感的大小选取对电路的性能影响很大，它决定了buck电路是工作在连续模式和不连续模式，对于有些带buck型输出滤波器的拓扑会在不连续模式下出现问题。一般设计电感值时，应保证直到输出最小规定电流的十分之一时，电感电流也保持连续。 同时要保证电感在电流稍大时不出现明显

11、饱和。计算公式如下： 5(En?V0)V0T L? EnIon En为输入电压额定值，Ion为输出电流额定值 2.3.4 输出滤波电容的选择 图3 非理想电容等效电路图 实际所用电容并非理想电容，它可以等效为电阻R0和L0与其串联等效，R0称为等效串联电阻（ESR）, L0称为等效串联电感（ESL），在300KHz一下频率L0可以被忽略，输出纹波仅由R0和C0决定。R0决定的纹波分量与电感斜坡峰-峰值成正比，而由C0决定的纹波分量与流过C0电流的积分成正比。为估算纹波分量并选择电容，必须要知道R0的值。一般近似认为R0C0的值近似为常数，为5080?10?6 一般先假设出电阻纹波分量Vor，再

12、由以下公式计算出R0 R0? 然后根据R0C0的平均值（通常取65?10?6）来求解C0，即 Vor0.2Ion65?10?6C0?FR0 5 3 电路设计 图4 系统结构框图 3.1 buck主电路设计 图5 buck主电路原理图 降压斩波电路，电路工作在开关切换状态，所以二极管要选用快恢复二极管或肖特基二极管，本设计选用MUR8100，它的反向阻断恢复时间仅为50ns，完全满足设计要求。 由于本设计只对电压有要求，而对电流和功率均无要求，所以对于电感和滤波电容的选取条件较为宽松，对于电感参数的确定，假设额定输出电流I0=10A，开关频率选为50K，则T=0.02s 则： L? 5(En?V

13、0)V0T5(200?100)100?0.02?500uHEnIon200?10 在此选用680uH的电感。电容参数的设计过程如下：假设由电容等效串联电阻引起的纹波电压为100mV，则由公式可得： ?Vor?0.1?0.05R00.2Ion0.2?10 65?10?6 C0?F?1300uFR0 6 本设计中考虑裕量，选用2000uF的电容，且采用两个1000uF的电容进行并联，可降低电容的等效串联电阻，进而减小由等效串联电阻引起的纹波。 3.2 脉宽调制电路设计 图6 脉宽调制电路设计 本设计选用TL494作为脉宽调制电路的主要芯片，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，内置了线性锯齿波振荡

14、器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。此外内部集成了两个误差放大器，功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。如图6所示电路，TL494共有两个误差放大器，当只使用其中一个时，要将另一个误差放大器的反相输入端引脚接高电平，同相输入端引脚接低电平，这样可将此误差放大器屏蔽掉，避免影响工作的误差放大器。（因为两个误差放大器连接方式为输出端接二极管后相连的结构）。此外，在本设计中， 利用R5、R3、C6与误差放大器构成PI调节器， 可以进一步减小输入电压与参考电压的

15、偏差，更好地起到输出电压追踪参考电压的作用。工作过程为：设置参考电压，将采样回来的电压与参考电压输入误差放大器，误差放大器输出的偏差电压与振荡器产生的锯齿波进行比较，不同的偏差电压与锯齿波的交点不同，这样就形成了不同占空比的PWM波用于驱动开关管，偏差电压越小，则占空比越大，形成负反馈调节，维持输出电压稳定。其中振荡频率由RT和CT决定，由公式计算得： f = 1.11.1=?103?20KHzRTCT0.01?5.6 7 3.4 系统工作总电路 3.3 MOS管驱动电路设计 的开关损耗，图腾柱输出电压可达2A,基本满足常用功率MOS管的驱动功率要求。 节省了成本。它允许驱动信号的电压上升率达

16、±50 V/s，极大地减小了功率开关器件片采用高压浮动驱动方式，特别适用于驱动桥式电路，采用自举法实现高压浮动栅极双 当设计中用IGBT或功率MOSFET时，通常需要设计MOS管驱动电路，IR2110驱动芯通道驱动，因此可以驱动500 V以内的同一相桥臂的上下两个开关管，减小了装置体积，图8 系统工作电路图 图7 MOS管驱动电路设计 8 4 Matlab建模仿真及分析 4.1 Matlab仿真模型的建立 本设计借助于Matlab的sinulink工具箱来实现buck电路的建模。图9为未带反馈的buck电路模型图。 图9为未带反馈的buck电路模型图。 该电路中开关器件用IGBT，控

17、制IGBT的波形由PWM脉冲生成器Pulse Generator产生，Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜单Sources类别中。在绘制仿真图时，打开Simulink Library Browser，可以在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，如Pulse Generator，双击查找。找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。IGBT和二极管，选择SimPowerSystems下拉菜单Power Electronics类别中的IGBT和Diode。电阻、电感和电容元件，选择SimPowerSys

18、tems下拉菜单Elements类别中的Series RLC Branch，放入窗口后，双击该图标，在Branch Type中选择相应类型，如电阻选R，电感选L，电容选C，选择完毕后单击OK按钮。放齐元件后，按升降压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜单Commonly Used Blocks类别中选择Scope，即示波器，以观测输出电压波形。在不带反馈的Buck模型下，记录下仿真的输出电压波形。 9 图10 带反馈buck电路模型图 本模型的建立利用PWM控制原理，利用simulink库里面的减

19、法器模拟误差放大器，在constant模块里设定的常数模拟参考电压，因simulink中没有专门的比较器，故利用一个减法器和一个选择开关模拟比较器，结合buck开环模型构成了带反馈自调整的buck模型。 4.2 Matlab仿真结果及分析 因为输入电压为200伏，仿真过程中控制占空比为50%，则输出电压为100V,下面将对输出电压为100V时，未加反馈和加反馈的buck电路进行对比分析。 10 图11 未加反馈的仿真结果图 图12 加反馈的仿真结果图 将图11和图12进行对比可得出，两个电路在启动时会有短暂的过电压过程，这在设计电路时要加过压保护电路。且过电压峰值基本相同，说明施加反馈的过程中

20、没有改变超调量，但可以看出，施加反馈环节大大地缩短了输出电压的调节时间，且使输出更 稳定，所以，在实际应用中，我们要尽量设计闭环系统，开环系统往往对干扰的抑制能 11 力有限，容易造成系统的不稳定。适当的施加恰当的反馈，有利于改善系统的动态性能，同时提高系统的稳定性。 图13 流过电感的电流波形 图14 流过二极管的电流波形 12 图15 输出电流波形 对比以上三幅图，图13为流过电感的电流波形，当开关管导通时，导通压降为零，加在电感上的电压就为输入与输出电压之差，由于电感上的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升，且斜率为dI/dT?(Ui?U0)/L0，使得电感电流为右阶梯的斜坡。而图14所示为续流二极管的电流波形，当开关管关断时，电流转移流向二极管，此时电感两端电压的极性相反，电感中的电流线性下降且斜率为dI/dT?