直流斩波电路设计与仿真
电力电子技术课程设计报告
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目录
.降压斩波电路............................................... ..6
.直流斩波电路工作原理及输出输入关系 (12)
三................................................................... 控制实现. (19)
四.直流斩波电路的建模与仿真 (29)
五.................................................. 课设体会与总结30
六................................................................... 参考文献 (31)
摘要
介绍了一种新颖的具有升降压功能的D(y DC变换器的设计与实现，具体地分析了该DQ7DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DQ7 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变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM 直流脉宽调速
一.降压斩波电路
1.1降压斩波原理：
U o t on E t on
E
I U 0 E M
1 0R
式中G为V处于通态的时间；t°ff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通
占空比，简称占空比火导通比。
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t on不变，称为PWM
2) 保持开关导通时间t on不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。
3) t on和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
1.2工作原理
1) t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u o二E,负载电流i o 按
指数曲线上升
2) t=t 1时刻控制V关断，负载电流经二极管V□续流，负载电压u o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接的电感L值较大基于分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析
从能量传递关系出发进行的推导
由于L 为无穷大，故负载电流维持为I o 不变
电源只在V 处于通态时提供能量，为E l o t on
在整个周期T 中，负载消耗的能量为(R I O T+E M l o T )
一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等
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
该电路使用一个全控器件V ,途中为IGBT ,也可使用其他器件，若采用晶闸管， 需设置晶闸管关断的辅助电路。为在 V 关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续 流二极管VD 斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载， 两种情况句会出现反电动势。
IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFE 的自然进化。由于
实现一个较高的击穿电压 BVDS 嚅要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻 率，因而造成功率MOSFE 具有RDS(on 数值高的特征，IGBT 消除了现有功率MOSFET 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 MOSFE 器件大幅度改进了 RDS(on)特性，但是 在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个 低VCE(sat)的能力，以及IGBT 的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流 密度，并简化IGBT 驱动器的原理图。
一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整 流器、放大器、直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而 确定下来的，从而构成了系统的固有部分。仅有这些固有部分所组成的系统是难以 满足生产机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的, 为了设计一个静态，动态都适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须 对系统进行校正。也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加一个校正环节， 使系统的动态性能也能达到指标的要求。本文中的双闭环可逆U o t on E t on t off
t on E I o
U o E M
R
PWM调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调的PWM波，它的内部包括误差放大器，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三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器，输出级是由IGET构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。由于电路有开关频率高的特点，所以直流脉宽调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高，系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等
二.直流斩波电路工作原理及输出输入关系
2.1升压斩波电路(Boost Chopper)
VD
L
: A i——
dK v 气￡
升压斩波电路
假设L和C值很大。
处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定i i，电容C向负载R供电，输出电压U o恒定。
断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
设V通态的时间为t on，此阶段L上积蓄的能量为Eht on
设V断态的时间为t off，贝y此期间电感L释放能量为(U0 E)ig
稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等:
Ei 1t o n = (u 0 E)i i t of
化简得 U o
工E t off
t off B 和a 的关系：a+ B =1
所以输出电压为
三、控制实现
控制系统的设计可以采用模拟控制方案和数字控制方案，这里以模拟控制方案 阐述该D (y DC 变换器控制系统的实现，如图3所示。
检控制电路由两级PI 调节器、PWM 波产生电路、驱动电路、故障测与保护电路 等组成。两级PI 调节器是控制电路的核心控制单元，两级均为带限幅输出的 PI 调节 T
t off 升压比；升压比的倒数记作B ，即
T t off U o
1E
器，前级是电压调节器，后级是电流调节器，前后级串联构成了以输出电压为主控制对象、输出电流为副控制对象的双闭环控制系统。电压环的作用是稳定输出电压，在输入电压或负载扰动作用下保证输出稳定。电流环是在稳态时跟随电压环，从而使系统动态响应快，调节性能好，也易于实现限流和过流保护。由于电压调节器的输出作为电流调节器的给定，故电压调节器的限幅值决定了电流调节器的最大输出
电流。此外，电流调节器的限幅值限制了最大输出电压，防止了输出电压过高的非正常状态，从而保证了系统的安全可靠。PW波产生电路负责两种PWM关方案
的
实现，以满足变换器降压工作模式和升压工作模式的要求。由于需要产生两路控制信号，因此必须配合主变换电路进行特殊的电路设计，以解决控制逻辑的分配问题。如图3所示，电流调节器输出送到比较器IC、IC2同相端，由一个三角波发生器产生的三角波送到反相端，两路信号相比较叠加获得PWM波。分析可知，两种不同的PWM开关方案可以通过对送到比较器IC、IC4反相端的三角波加上不同的偏移电压和来实现。当电流调节器输出电压低于5 V时，比较器IC与三角波有交点，
输出PWM波，该波形用于驱动T，而比较器IC4与三角波没有交点，故无脉冲输出，T2截止；当电流调节器输出电压高于5 V时，比较器IC4与三角波有交点，输出PWM波，该波形用于驱动T，而比较器IC输出高电平，T 1处于全导通状态；而且，降压工作模式和升压工作模式的切换是平滑过渡的。这样，就得到了逻辑上合乎要求的两路控制信号，然后再经驱动电路去驱动两个开关管T1和T2。为了提高系统的可靠性，还设计了故障检测与保护电路，包括过流保护、过压保护、过热保护等。这主要利用比较器对电流、电压、温度等的检测值与设定的保护值比较，一旦发生超限现象，立即产生相应的保护动作。
四.直流斩波电路的建模与仿真
4.1仿真模型及参数设置