直流斩波电路的MATLAB建模与仿真毕业设计.doc

直流斩波电路的MATLAB建模与仿真摘要: 直流斩波电路包括降压斩波电路，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。本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。根据Buck降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，并通过Matlab仿真分析。关键词:降压斩波、主电路、控制电路、驱动及保护电路。Abstract: Dc chopping circuit including step-down chopper circuit, boost chopper circuit, buck chopper circuit, Cuk chopping circuit, Sepic chopper circuit and Zeta chopper circuit.Buck step-down chopper circuit is designed in this study, using IGBT type control device. According to Buck step-down chopper circuit design task requirement design of main circuit, control circuit, drive and protection circuit, and through Matlab simulation analysis.Key words: step-down chopper, main circuit, control circuit, drive and protection circuit.引言：直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子领域的一大热点。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流斩波电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源，以及用于其他领域的直流电源。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（PWM）、频率调制方式和混合型。脉宽调制方式（PWM）较为通用。当今世界软开关(Soft switching)技术使得DC/DC变换器发生了质的变化和飞跃，其广泛的应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车等场合。 1设计目的 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，其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点，因此发展很快。其在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。因此本文设计Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT，并通过Matlab仿真，分析Buck降压斩波电路的特性。2 设计任务与要求 2.1 设计任务 要求设计Buck降压斩波电路的主电路、控制电路、驱动及保护电路，以及进行Matlab仿真分析。 主电路模块： 由全控型IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。 控制电路模块：用SG3525来控制IGBT的开通与关断。 驱动及保护电路模块：用来驱动IGBT以及保护主电路。 通过对主电路的建模，进行仿真分析。2.2 设计要求 对Buck降压电路的基本要求有以下几点： 1.输入直流电压：Ud=100V 2.开关频率30KHz 3.输出电压范围20V80V 4.输出电压纹波：小于1% 5.最大输出电流：5A（在额定负载下） 6.具有过流保护功能，动作电流：6A 7.具有稳压功能 8.采用电阻性负载时，测试效率不低于80% 4 设计内容 根据Buck降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。BUCK主电路驱动电路控制电路SG3525 图1 电路框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路将控制信号通过转换来控制IGBT，使其开通或关断。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。最后进行对主电路进行Matlab仿真分析。5 设计方案的选定与说明5.1 降压斩波电路5.1.1 降压斩波电路原理式中为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，简称占空比或导通比。降压斩波电路的占空比小于1。5.2 降压斩波电路主电路设计5.2.1 BUCK降压斩波主电路在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压。该电路使用一个全控型器件IGBT。在IGBT关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。在开关管IGBT导通期间，二极管VD反偏，输入电源经电感与电容和负载形成回路，提供能量给电感和负载，同时电容充电，电感电流增大，等效电路如图3所示。当开关管IGBT关断时，电感 自感电势使二极管导通，电感中储存的能力经二极管续流给负载，电感电流减小，等效电路图如图4所示。如果输出端的滤波电容足够大，则输出电压近似保持不变。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值I。在不同的情况下，变换器可能工作在电流连续模式或电流断续模式下，这需要具体的分析。本文就不对其详细讨论了，取电流处于连续模式进行设计。 图2 降压斩波主电路图5.2.2主电路元器件参数选择主电路中有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻等元器件需要确定参数的，其参数选择作如下说明：(1)电源 因为题目要求输入直流电压为100V，所以直流稳压电源取100V作为系统电源。(2)IGBT 由图2易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流>5A，反向击穿电压B>100v的IGBT。但是考虑到2倍的安全裕量，则需要选择集电极最大连续电流10A，反向击穿电压200V的IGBT。 (3)二极管 当=1时，其承受最大反压100V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择>100v,I>5A的二极管。但是考虑到2倍的安全裕量： 则需要=200V =10A(4)电感 选择大电感L，使得电路不至于断流，能够续流，此时的临界电感为： L=（）/2fI。 设输出电压为80V，则L=80x（10080）/2x1000x30x100x5=0.03mH所以电感L >=0.03mH，取L=0.1mH。(5) 电容 选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为80V时来算C=（）/8Lff =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x30Kx30Kx100=22.2uF这里取C=25uF。(6)电阻R 因为输出电压为20V80V时，而输出的最大电流为5A。所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在5。5.3 降压斩波电路控制电路的设计5.3.1控制电路及器件选择5.4.1.1 控制方式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，称为混合型但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为在实际输出电压中有谐波，而谐波频率与开关频率（即开关周期）有关，滤波器是根据开关频率设计的，设计好后是固定不变的。频率调制中，开关周期是变化的，PWM的开关周期是不变的，因此PWM调剂方法有较好的滤波效果，是常见的调制方式。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。5.4.1.2 SG3525芯片SG3525芯片一是款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。 图4 SG3525的引脚 图5 内部框图 SG3525各引脚具体功能： （1）引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 （2）引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。 （3） 引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现外电路同步。 （4） 引脚4：振荡器输出端。 （5） 引脚5：振荡器定时电容接入端。 （6） 引脚6：振荡器定时电阻接入端。 （7） 引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放回路。 （8） 引脚8：软启动电容接入端。 （9） 引脚9：PWM信号输入端。 （10） 引脚10：外部关断信号输入端。 （11） 引脚11：输出端A。 （12） 引脚12：信号地。 （13） 引脚13：输出级偏置电压接入端。 （14） 引脚14：输出端B。 （15） 引脚15：偏置电源接入端。 （16） 引脚16：基准电源输出端。SG3525芯片特点如下： （1） 工作电压范围：8-35v。 （2） 5.1V微调基准电源 （3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。 （4） 具有振荡器外部同步功能 （5） 死区时间可调。 （6） 内置软启动电路。 （7） 具有输入欠电压锁定功能。 （8） 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。 （9） 逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。5.4.2控制电路原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为30kHz，所以由上式可取=1F, =15,=7.6。可得f=30.03kHz，基本上等于实际30 kHz即满足要求。 SG3525具有保护的功能，可以通过改变其10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经过电阻作用将其转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，从而作用。但当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。由此得出控制电路的电路图如图6所示。 图6 控制电路图5.5 驱动电路原理与设计5.5.1本设计采用光电耦合式驱动电路该电路双侧都有电源，其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。此外它使用比较方便，稳定性比较好。虽然它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合，但是适合本设计的要求，因此本设计采用光电耦合式驱动电路。5.5.2 驱动电路工作分析：该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：采用普通光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。经过上文的分析采用以下驱动电路：接IGBT源极接IGBT栅极PWM调制 图7 驱动电路原理图如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压较高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有微安级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。5.6保护电路原理与设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。1.引起过电压的原因1）操作过电压。由断路器的拉闸、合闸、断电等经常性操作中的电磁过程引起的过电压。2）浪涌过电压。由雷击等偶然原因引起的，从电网进入变换器的过电压，其幅值远远高于工作电压。3）电力电子器件的关断过电压。电力电子器件关断时，由于回路电感在电力电子器件上产生的过电压。4）过电压和过电流保护动作引起的过电压。某处过电流过电压动作时所产生的电路的过电流过电压抑制过程，可能引起电路其他部分的过电流过电压。2.过电压保护方法过电压保护的原则是：根据电路中过电压产生的不同部分，加入不同的附加电路，当超过规定电压值时，自动开通附加电路，使过电压通过附加电路形成通路，消耗或储存过电压的电磁能量，从而是过电压的能力不会加到电力电子器件上，从而达到保护的目的。保护电路的形式很多，也很复杂。3.引起过电流的原因1）外部出现负载过大、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的过电流。2）电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败引起的过电流。3）控制电路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作所引起的过电流4）配线等人为的错误引起的过电流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差很多，因此，必须对变换器进行适当的过电流保护。变换器的过电流一般主要分为两类：过载过电流和短路过电流。4.过电流保护方法过电流保护可以采用交流进线电抗器、电流检测装置和直流过流继电器、快速熔断器等方法。5.限制电压上升率的原因晶闸管的PN结存在着结电容，在阻断状态下，当加在晶闸管上的正向电压上升率较大时，就会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，所以要限制电压上升率。6.产生电压上升率的原因1）由电网侵入的过电压2）由于电力电子器件换相时产生的7. 限制电流上升率的原因晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大，直到全部结面导通为止。在刚导通时，如果电流上升率较大，会引起门极附近过热，造成晶闸管损坏，所以要限制电流上升率。8. 变换器中产生过大的的原因1）电力电子器件从阻断到导通期间，主电路电流增长过快。2）交流侧电抗小或交、直流侧阻容吸收装置电容量过大，当电子电子器件导通时，流过过大的附加电容的充、放电电流。3）与电力电子器件并联的缓冲保护电路在晶闸管开通时的放电电流。5.6.1 过电压保护电路：本次设计的电路要求输出电压为20V80V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过压保护。当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。如图6所示：取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压（5V）进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压时，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。设计的过压保护电路图如图8所示：取样电压接入SG3525的10端 图8 过压保护电路原理图5.6.2过电流保护电路待添加的隐藏文字内容3本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。如前所述，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器和一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。设计的过流保护电路如图9所示：接入SG3525的10端过流保护输入图9 过电流保护原理电路图5.6.3 IGBT的保护IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为IGBT要原因有两种：一是IGBT退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是IGBT发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，IGBT开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使先上一个台阶，以后因有，上升速度减慢；V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给提供释放储能的回路。如图11所示： 图11 IGBT保护电路6 Matlab仿真与分析6.1 主电路的建模建模步骤如下：1.建立一个新的模型窗口，命名为Buck。2.打开电力电子模块组，分别复制IGBT模块、二极管D模块到Buck模型窗口中，按要求设置IGBT的参数。3.打开电源模块组，复制电压源模块DC Voltage source到Buck模型窗口中，打开参数设置对话框，设置电压为100V。4.打开元件模块组，复制一个并联R-C元件组模块到Buck模型窗口中作为负载，打开参数设置对话框，按要求设置参数；再复制一个L元件模块到Buck模型窗口中，串接在IGBT模块和负载R-C之间，参数按要求设置。5.打开测量模块组，添加一电压量装置以测量负载电压。6.从输入源模块组中复制一个脉冲发生器Pulse模块到仿真模型窗口中，将其输出连接到IGBT的门级上。7.通过适当连接，可以得到系统仿真电路，如下图所示。6.2 主电路的仿真打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为0.0194s,停止时间为设置为20.8e-3s，仿真结果如下面情况所示。当PWM的占空比取的是a=50%，当一个周期T结束后，负载电压的理论平均值，经过相关参数的调试，实际,此时设计的最佳参数为：L=400e-5 H，R=3.8欧，C=3e-5 F。输出负载电压波形图为： 当PWM的占空比取的是a=25%，当一个周期T结束后，负载电压的理论平均值，经过相关参数的调试，实际,此时设计的最佳参数为：L=500e-5 H，R=15欧，C=4e-5 F。输出负载端电压波形图为：当PWM的占空比取的是a=75%，当一个周期T结束后，负载电压的理论平均值，经过相关参数的调试，实际,此时设计的最佳参数为：L=250e-5 H，R=8欧，C=2.8e-5 F。输出负载端电压波形图为： 对以上的仿真结果进行分析可知，通过BUCK降压斩波电路所得到的直流电压与理论值基本相同，结果正确，达到了设计的基本要求。结束语本课程要求设计直流斩波电路的MATLAB建模与仿真，本文选择了其中的BUCK降压直流斩波进行MATLAB建模与仿真。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动及保护电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离，以及进行MATLAB的建模与仿真分析。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问题；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。目前在实际应用中比较普遍。回顾起此次毕业设计，我有很深的感触，从最初的毕业设计选题到毕业设计定稿，从理论分析到实践建模仿真，学到很多很多的的东西，查阅了大量的文献，深刻体会设计的要求，从整体上把握课题的方向，在老师的指导下，进行了设计，不仅让我对电子电子这么课程有了更为深刻的理解，熟悉了PWM，掌握了MATLAB，更为重要的是知道了如何运用所学的知识去解决问题，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这为今后的研究生学习打下了良好的基础。在本次的毕业设计的过程中我也发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，没有整体的把我，无法将理论知识运用于实际，通过这次的毕业设计之后，我应该重新树立学习知识的方法。参考文献 【1】李先允主编.电力电子技术.北京：中国电力出版社，2006 【2】林辉，王辉 电力电子技术 武汉：武汉理工大学出版社，2011 【3】郑宏婕主编.电力电子技术与应用.福建：福建科学技术出版社，2005 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