直流斩波电路的仿真分析与实现..

天津理工大学

自动化学院课程设计报告题目：直流斩波电路的仿真分析与实现

学生姓名学号

届2011级班级电气3班

指导教师杜明星专业电气工程及其自动化

说明

1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中

任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。

2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。

3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。

4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文

字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。

5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩

（30%）组成。

课程设计评语及成绩汇总表

成绩平时成绩报告成绩答辩成绩

总评成绩

课程设计

评语

课程设计任务书、指导书

课程设计题目：直流斩波电路的仿真分析与实现

Ⅰ.课程设计任务书

一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）1．课程设计的内容

完成Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计。

2．课程设计的要求

1）技术参数：（BUCK电路）输入直流电压为42V，输出直流电压为12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f ＝100Hz。（BOOST电路）输入直流电压为24V，输出直流电压为54V，输出电流为10A，最大输出纹波电压为200mV，工作频率f＝100Hz。

2）主功率器件采用MOSFET管，计算并选择主电路的元器件，给出清单；

3）设计MOSFET的驱动电路及控制电路；

4）绘制总的电路原理图；

5）要求负载为具有反电动势的阻感负载；

6）改变功率开关器件的导通占空比，得出正确的斩波波形（要求至少取3组数据，且数据具有广泛的代表性）；

7）通过分析仿真波形，总结仿真波形与教材理论波形的区别与联系；8）改变负载中R和L值，要求至少取三组以上数值，并分别仿真得出斩波波形，并分析波形；

9）分别改变电源电压、反电动势的数值，分析其对输出波形的影响；10）撰写课程设计说明书；

11）如有说明书结果雷同的情况，成绩按最低分处理。

二、课程设计参考资料

[1]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].第三版.北京：机械工业出版社，1999.10

[2]陈坚.电力电子学[M].第二版.北京：高等教育出版社，2004.12

[3]张立.电力电子技术基础.北京：高等教育出版社，1999.10

[4]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.1

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第三版.北京：机械工业出版社，2003

Ⅱ.课程设计指导书

一、课程设计要点、设计步骤

设计要点：

1）掌握直流斩波电路主电路元器件的选择方法；

2）掌握MOSFET的驱动及控制电路的设计方法；

3）掌握MatLab/Simulink的编程方法，能熟练地搭建所需的电路图；

4）选取合适的驱动信号。驱动信号可以有多种实现方法，同学应视自己的情况，合理选择驱动信号；

5）通过本次课程设计，应掌握教材斩波波形与实际仿真波形的区别与联系；

6）选择不同的占空比，可以得到不同的斩波波形，应能掌握波形发生变化的原因；

7）通过本次课程设计，应能掌握何种情况下，阻感负载为大电感负载。

设计步骤：

1）掌握Buck电路与Boost电路的工作原理；

2）完成主电路元器件的选择方法；

3）完成直流斩波电路系统电路原理图的设计和绘制；

4）在MatLab/Simulink环境下搭建两种电路的结构图，并完成初步调试；

5）在占空比为50％时，完成两种电路的仿真，并得出仿真波形；6）在占空比小于50％和大于50％时的多种情况下，分别完成两种电路的仿真，并得出正确的仿真结果；

7）改变负载的参数，得出相应的仿真结果；

8）改变电源电压与反电动势的数值，得出相应的仿真结果；

9）完成课程设计说明书。

二、主要技术关键的分析、解决思路

1）掌握电力电子电路中元器件选择的计算方法，并针对技术参数要求，合理选择主电路元器件，并保证系统安全可靠运行；

2）根据电力电子课程中直流斩波器的原理及功率器件驱动的策略，依据直流斩波电路的工作任务，完成系统电路原理图的绘制；

3）在不同占空比的情况下，完成电路的仿真实验。通过对仿真实验结果的分析，使同学们更加熟练地掌握教材中斩波电路波形的产生原因；

4）通过改变负载的数值，得到相应的仿真波形，以实现对负载的全面认识。在何种情况下，阻感负载才能称作大电感负载；

5）熟悉MatLab/Simulink的编程环境，掌握利用该软件仿真电力电子电路的方法。

三、课程设计进度安排

起迄日期工作内容

2013.6.17-6.21 熟悉Buck电路与Boost电路的工作原理。2013.6.22-6.25 完成主电路元件的计算和选择。

2013.6.26-6.29 完成电路原理图的设计与绘制。

2013.6.30-7.3 完成Buck电路的仿真与调试。

2013.7.4-7.8 完成Boost电路的仿真与调试。

2013.7.9 答辩、上交设计说明书。

Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计

一、降压斩波电路设计

1.设计要求与方案

1.1设计要求

利用MOSFET设计一降压变流器。输入电压E42V，输出电压Ud12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f＝100Hz。负载电阻为10Ω电感2mH。

1.2设计方案

电力电子器件在实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。

根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及保护电路其结构框图如图1-1所示。

在图1-1结构框图中控制电路用来产生MOSFET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，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET

控制端与公共端之间可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。

2 降压斩波主电路设计

2.1 电力MOSFET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。MOSFET 降压斩波电路的主电路图如下图2-1所示。该电路使用一个全控型器件—电力MOSFET，且为了给负载中的电感电流提供通道设置有续流二极管VD。电路通过在电力MOSFET管的控制端输入控制信号以得到所需要的输出电压，实现降压。

2.2 电路原理分析

直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t0时，MOSFET管被激励导通，电源E 向负载供电，负载电压为Ud=E，负载电流io按指数曲线上升；当t=t1时，控制MOSFET关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压Ud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联的电感L较大。电路工作时的波形图如图2-2所示

图2-2 电流续流时工作波形

一个周期T 结束，再驱动MOSFET 导通，重复上一周期的过程。当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均

值为

(1-1)

平均电流值为 （1-2） 式中T 为MOSFET 开关周期, Ton 为导通时间 α为占空比。 通过调节占空比α，使输出到负载的电压Ud 最大为E,若减小占空比,则Ud 随之减小。

根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式: (1)保持开关周期T 不变,调节开关导通时间on t ,称为脉冲宽度调制(PWM 调制)此种方式应用最多。

(2)保持开关导通时间on t 不变,改变开关周期T ,称为频率调制。 (3) on t 和T 都可调，改变占空比称为混合型。

电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。

a) V 通态期间，设负载电流为1i ，可列出如下方程：

(1-3)

R

U

d

d I =E E Ri t

i L

=++M 11

d d

设此阶段电流初值为10I ，τ=L/R ，解上式得： (1-4)

b) V 断态期间，设负载电流为2i ，可列出如下方程： (1-5)

设此阶段电流初值为20I ，解上式得： (1-6)

当电流连续时，有 (1-7) (1-8)

即V 进入通态时的电流初值就是V 在断态阶段结束时的电流值，反过来，V 进入断态时的电流初值就是V 在通态阶段结束时的电流值。

由式（1-4）、式（1-6）、式（1-7）、式（1-8）得出：

(1-9)

(1-10)

式中： ； ； 由图1.1a 可知，10I 和20I 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。

把式（1-9）和式（1-10）用泰勒级数近似，可得 (1-11)

???

? ??

--+

=--

ττ

t t

e R

E E e

I i 1101M 0d d M 22

=++E Ri t

i L

???

? ??

--=--ττ

t t

e R

E e

I i 1202M

)

(2210t i I =)

(1120t i I =R E

m e e R E R E e e I T t ???? ??---=-???

? ??--=1111M //101ραρττR E m e e R E R E e e I T t ???? ??---=-???

? ??--=----ραρττ1111M //201τρ/T =E E m /M =αρττ=??

?

????? ??=T T t t 11/()o

2010I

R

E m I I =-≈

≈α

上式表示了平波电抗器L 为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值

o I ，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

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o I 不

变；电源只在V 处于通态时提供能量，为 ，在整个周期T 中，负载

一直在消耗能量，消耗的能为 。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，即

(1-12) 则 (1-13)

与式（1-11）结论一致。

在上述情况中，均假设L 值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为1I

，则有

(1-14)

其值小于等于负载电流o I ，由上式得

(1-15) 即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。 2.3 主要器件的选择

主电路中电源、电感及电阻的参数由设计要求给定现确定主电路中MOSFET 管及电力二极管的参数：

其中MOSFET 管的主要参数包括漏极电压Uds 漏极直流电流Id 和漏极脉冲电流幅值Idm 。而根据设计要求可知电源为42V 直流电压源计算得,主电路平均电流 Id=Ud/R2=1.2A 有效电流值 Id=2.18A

所以可选择额定电压为60V 额定电流为6A 的MOSFET 管。 同样对于电力二极管可选择额定电压为60V 电流为6A 的二极管。

3 控制电路设计

3.1 控制电路方案选择

on

o t EI ()T I E T RI o

M 2

o

+T

I E T RI t EI o

M 2o

on

o +=R

E E I M

o -=αo o on

1I I T t I α==

o

o o 1I U EI EI ==α

MOSFET控制电路的功能:有给变流器的电子开关提供控制信号,以及对保护信号作出反应,关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器,在正输入端输入一个三角波,在负输入端输入一直流电平,比较后输出一方波信号,改变负输入端直流电平的大小,即可改变方波信号的脉宽。

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。该设计中我选用PWM发生芯片——TL494芯片来进行调节控制。

TL494的引脚图如图3-1所示

图3-1 TL494引脚结构图

3.2 控制电路原理

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。

其内部结构图如图3-2所示

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4％，当输出端接地最大输出占空比为96％，而输出端接参考电平时占空比为48％。当把死区时间控制输入端接上固定的电压范围在（0—3.3V）之间即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到Vcc-2.0的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50％时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。

控制电路如下图3-3所示

图3-3 控制电路图

4 驱动电路设计

4.1 驱动电路方案选择

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁该部分，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电力MOSFET管可靠的开通和关断；

2提供足够大的瞬态功率或瞬时电流使MOSFET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。

而电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的因此它的第一个显著特点是驱动电路简单需要的驱动功率小第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小耐压低多用于功率不超过10Kw的电力电子装置。

在功率变换装置中根据主电路的结构起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。

根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET管开关特性选择驱动芯片IR2110来实现驱动。

芯片IR2110管脚及内部电路图如下图4-1所示

图4-1 IR2110管脚及内部电路图

4.2 驱动电路原理

IR2110内部功能由三部分组成逻辑输入电平平移及输出保护。

R2110驱动半桥的电路如图所示其中C1VD1分别为自举电容和自举二极管C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压VC1 VCC。

当HIN为高电平时如下图4-2 VM1开通VM2关断VC1加到S1的栅极和源极之间C1通过VM1Rg1和栅极和源极形成回路放电这时C1就相当于一个电压源从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号所以此时LIN为低电平VM3关断VM4导通这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。

图4-2 IR2110驱动半桥电路

设计驱动电路如图4-3所示：

设计电路硬件图如下图5-1所示

图5-1 设计电路硬件图

5、 MATLAB仿真与分析

1、仿真电路如下图所示

2、仿真输出电压波形图如下D=28.6%

D=55%

D=75%

改变L=0.3mH ,D=28.6%

改变反电动势U=10V