直流斩波电路的MATLAB建模与仿真毕业设计.doc

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1、 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, C

2、uk 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

3、 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

4、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，

5、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Matl

6、ab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

7、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

8、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

9、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。(

10、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B100v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,I5A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

11、，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

12、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

13、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

14、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

15、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、

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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。

21、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

22、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

23、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，

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、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

33、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 【4】周克宁.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2004 【5】辜承林，陈乔夫，熊永前 电机学 武汉：华中技大学出科版社，2005 【6】王水平.MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用.邮电出版社，2009 【7】王兆安、黄俊.电力电子技术.第四版。北京：机械工业出版社，2000 【8】陈杰编著.Matlab宝典.北京：电子工业出版社，2007 致 谢通过这次毕业设计，我学到了很多东西，对书本上的知识掌握得更加牢固，更为重要的是知道了理论与实际相结合，用知识解决问题的重要性，同时也使我了解到老师的指导对我的帮助对完成任务的重要性。在此，我十分感谢左老师在整个毕业设计过程中给予我的帮助和鼓励，谢谢您！