直流斩波电路的MATLAB建模与仿真.docx
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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
2、 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 c
3、ircuit, 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。
4、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。4 / 231 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
5、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、
6、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:U =100Vd2. 开关频率 30KHz3. 输出电压范围 20V80V4. 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:6A7. 具有稳压功能8. 采用电阻性负载时
7、,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。控制电路SG3525驱动电路BUCK主电路图 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
8、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U =ton= on E = a EEt0t+ tonToffI = U 0 - EM0R式中t为V处于通态的时间;t为V处于断态的时间;T为开关周期;onoff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。a 为导通VLiRoi+EGVDuMo-EMa)iGttoffonOioTti1I10i2OuIt120toEOtb)iGttoffOioonTttix1i2OuotIttE1202EOEtiGc)M5.2 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
9、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U 。该电路使用一个全控型器件 IGBT。在 IGBT 关断时,为了给d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
10、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5 / 23受最大正压为 100V;而当a =1 时,IGBT 有最大电
11、流,其值为 5A。故需选择集电极c最大连续电流 I 5A,反向击穿电压 B100v 的 IGBT。但是考虑到 2 倍的安全裕量,vceo则需要选择集电极最大连续电流 Ic10A,反向击穿电压 Bvceo200V 的 IGBT。(3) 二极管当a =1 时,其承受最大反压 100V;而当a 趋近于 1 时,其承受最大电流趋近于 5A,故需选择Vc 100v,I5A 的二极管。但是考虑到 2 倍的安全裕量:则需要U=200VI=10Aminmin(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=U (U0dU )/2fU I 。o d设输出电压为 80V,则 L=80
12、x(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=U (U0dU )/8LUo cffUd=80x(10080)/8x0.1mHx0.01x30Kx30Kx100=22.2uF这里取 C=25uF。(6) 电阻 Rl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
13、及器件选择6 / 235.4.1.1 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ton不变,称为PWM。2) 保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T,称为频率调制或调频型。3) ton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 IGB
14、T 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7 / 23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
15、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。8 / 23(12) 引脚 12:信号地。(13) 引脚 13:输出级偏置电压
16、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
17、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 :f =1C (0.7R+ 3R )ttd9 / 23式中: C , R 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻;R 是与脚 7 相连
18、的放ttd电端电阻值。根据任务要求需要频率为 30kHz , 所以由上式可取 Ct=1 F,R =15, Rtd=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
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