直流斩波电路设计与仿真

来源:互联网 编辑:李元芳 手机版

电力电子技术课程设计报告

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目录

1.降压斩波电路…………………………………………………..6

一.直流斩波电路工作原理及输出输入关系……………12

二.D c/D C变换器的设计…………………………………………18

三.测试结果…………………………………………………………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DC/DC变换器的设计与实现,具体地分析了该DC/DC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:

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,调节开关导通时间不变,称为PWM。

2)保持开关导通时间不变,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。

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uo=E,负载电流io按指数曲线上升

2)t=t1时刻控制V关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压uo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Io不变

●电源只在V处于通态时提供能量,为E

●在整个周期T中,负载消耗的能量为(RT+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。

在具有升降压功能的非隔离式DC/DC变换器中,Buck-Boost变换器和Cuk变换器是负极性输出,Sepic变换器和Zeta变换器是正极性输出,但这两个变换器结构复杂,都需要两个储能电感,这必然导致变换器的损耗增加、效率变低,且体积和质

量大 ,引。本文针对实际研究项目中提出的要求,摒弃采用上述各种变换器,设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的D C/D C变换器,并采用该DC/DC变换器研制出达到技术指标要求的直流开关电源,获得了良好的应用价值。

直流系统调速是由功率晶闸管、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、以及缺相和过流保护电路,通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

PWM控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术,其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候,效果基本相通。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一种调速方法,除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外,还可利用其它电力电子元件的可控性能,采用脉宽调制技术,直接将恒定的直流电压调制成极性可变,大小可调的直流电压,用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节,构成直流脉宽调速系统,随着电力电子器件的迅速发展,采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT)等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器(Pulse Width Modulated),已逐步发展成熟,用途越来越广。

调速通常通过给定环节,中间放大环节,校正环节,反馈环节和保护环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差,不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响,使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制系统具有反馈环节。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET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MOSFET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IGBT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)

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,电容C向负载R供电,输出电压恒定。

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,此阶段L上积蓄的能量为

设V断态的时间为,则此期间电感L释放能量为

稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等:

=

化简得

——升压比;升压比的倒数记作β ,即

β和α的关系:a+β=1

所以输出电压为

2.2 升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)

升降压斩波电路

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,这时

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,这时

稳态时,一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零,即

所以输出电压为:

为 V处于通态的时间,为V处于断态的时间)

三. D c/D C变换器的设计

3.1 变换器拓扑结构

图l所示是设计新颖的DC/DC变换器的拓扑结构。该DC/DC变换器为前后级串联结构,前级是由T1、T3、D1、D 、I 、C、R1、R 构成降压变换电路,后级是由T 、D 、I 、C构成升压变换电路,其中Dz、I 、C均出现在前、后级变换电路中。

从图1中可以看出,采用PWM 方式控制两个主开关管T。、Tz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1所示的主变换电路中增加了辅助开关管T1,且T。由NPN型改为PNP

型,显然T。、T 是共地的,T 、T3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T。、T。来控制电路的工作状态,现在是通过T 、T 来控制,T。称为降压斩波辅助开关,T。称为升压斩波主开关、T。称为降压斩波主开关。

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DC/DC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。1.2.1 降压工作模式当T 截止,T 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Dz,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:

(1)

式中:Ui——输入电压;Uo——输出电压; T的占空比。

升压工作模式

当T 全导通,T 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T。和一个二极管D ,

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:

(2)

式中:Ui——输入电压;Uo—— 输出电压; --- T2

的占空比。由此可见,该D C/D C变换器是将Buck和Boost两个变换器串联起来,通过对两个开关管T 、T。的配合控制获得降压工作模式和升压工作模式,从而实现升降压功能和正极性输出。在理想情况下,变换器的电压变换关系为:

当处于降压工作模式

当处于升压工作模式

储能电感参数的设计

由图1的拓扑结构可知,该DC/DC变换器只有一个储能元件—— 储能电感L,所以L必须能适应降压和升压两种不同的工作模式,以使变换器无论处于哪一种工作模式,L都能存储足够的能量,从而在以PWM 方式工作的斩波开关截止时能提供给负载连续的电流。因此,L是该DC/DC变换器的关键元件,其参数的选取直接影响到变换器能否正常工作。考虑最典型的情况,假设输入电压的变化范围为且当=时,变换器处于降压工作模式;当=时,,变换器处于升压工作模式。所以,根据公式(1),Uo,可以得到T1 的最小占空比;根据公式(2)、和Uo ,可以得到T。的最大占空比。由于分别代表了L在两种工作模式下的极端工作状态,因此可以通过分别计算这两个工作状态下的电感量,并取其中的大者作为L的设计参数,则L就能同时满足两种工作模式的要求,。具体设计步骤如下:

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