094414_基于matlab-simulink的buck变换器的研究与设计[电力电子课程设计].doc

l 电力电子课程设计2012.5BUCK变换器的研究与设计基于MATLAB/SIMULINK-指导老师:王武09级电信学院目录课程设计任务书1成员分工2前 言30.1概述30.2研究的意义30.3MATLAB40.4致谢4第1章 设计思路与框图51.1设计思路51.2系统框图5第2章 直流稳压电源设计62.1电源设计原理62.2电路的工作原理及其波形分析62.3基本工作过程72.4和的确定72.5主要的数量关系9第3章 降压斩波电路课程设计113.1降压斩波电路主电路图113.2电路分析113.2.1IGBT简介123.2.2工作原理123.2.3控制方式133.2.4对降压斩波电路进行解析13第4章 PWM控制的基本原理154.1理论基础154.2PWM波的分类164.3PWM控制方法164.4异步调制和同步调制17第5章 MATLAB仿真185.1元件清单及参数设置185.2仿真电路设计225.3仿真波形235.4仿真分析24第6章 设计总结256.1设计回顾256.2心得体会256.3参考文献25课程设计任务书学生姓名： 路长鑫 专业班级： 09级电气 3班 指导教师： 王武 工作单位： 电气工程及其自动化 题目：BUCK变换器的研究与设计一、 初始条件输入电压：2030V，输出电压：0-15V，输出负载电流：0.11A，工作频率：30KHz，采用降压斩波主电路。二、 要求完成的主要任务1. 直流供电电源设计。2. 降压斩波主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）并讨论主电路的工作原理。3. 脉宽调制电路（如SG3525集成PWM控制器）及驱动电路设计。4. 分析PWM控制原理及波形。5. 提供电路图纸至少一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。三、 时间安排2012.3.262012.4.8 收集资料，确定设计方案2012.4.92012.5.27 系统设计2012.5.282012.6.10 撰写课程设计论文及提交指导教师签名： 年 月 日 成员分工成员分工情况如下表： 分工及完成情况成员名单分工完成情况李雪灵、张萌直流供电电源设计完成李海龙 、杨浩琼、董卓奇降压斩波主电路设计完成郭道民、刘晓东脉宽调制电路完成路长鑫硬件设计及仿真完成前 言0.1 概述直流斩波电路（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，也称为直接直流-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，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：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，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。0.2 研究的意义从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。0.3 MATLABMATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在SIMULINK中来完成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。0.4 致谢诚挚的感谢老师的细心指导，诚挚的感谢作出努力的每一位组员，使得本学期电力电子课程设计的顺利完成，使我更进一步的明白了团队力量的内涵，为以后的工作和学习奠定了基础，树立了标杆！第1章 设计思路与框图1.1 设计思路本课程设计主要应用了MATLAB 软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计与仿真。系统主要包括：直流稳压电源部分、BUCK降压斩波主电路部分、PWM控制部分和负载。直流稳压电源部分采用SIMULINK中的交流电源模块，模拟工频50Hz的220V交流电源，经过变压器降压，把220V电压变为30V左右的交流电，为主电路提供电源。BUCK降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可。PWM控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件IGBT的导通和关断，实现整个系统的运行。在SIMULINK中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用SIMULINK提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计。1.2 系统框图系统框图如图1.1所示。图1.1 BUCK变换器系统结构总框图第2章 直流稳压电源设计2.1 电源设计原理设计电路采用的是电容滤波的单项不可控整流电路，小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如图2.1,波形图如图2.2所示。 图2.1 直流稳压电源原理框图图2.2 直流稳压波形图 2.2 电路的工作原理及其波形分析a) 电路 b) 波形图2.3 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形2.3 基本工作过程在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2 50V,额定工作电流ID=1； 滤波电容：容量470F,耐压50V 第3章 降压斩波电路课程设计3.1 降压斩波电路主电路图图3.1降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形3.2 电路分析直流斩波电路(即斩波器)的功能是将直流电变换为另一固定电压或可调电压的直流电。本课程设计使用一个全控型器件V-IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。另外设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。该电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。3.2.1 IGBT简介IGBT的等效电路如图3.2所示。由图可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。图3.2 IGBT的等效电路图由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：IGBT栅极与发射极之间的电压;IGBT集电极与发射极之间的电压;流过IGBT集电极发射极的电流;IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压,流过IGBT集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。3.2.2 工作原理 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。 t=t1时控制V关断，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，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。基本的数量关系如下:1. 电流连续时,负载电压的平均值为:式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。 负载电流平均值为: 2. 电流断续时,负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。3.2.3 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(时间比控制方式): 脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。（定频调宽控制模式） 频率调制：ton不变，改变T。 （定宽调频控制模式） 混合型：ton和T都可调，改变占空比 （调宽调频混合控制模式）3.2.4 对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。1. 电流连续时 (1) （2） 用泰勒级数近似，可得： （3）平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。（3）式所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即： 则：假设电源电流平均值为I1，则有： 其值小于等于负载电流Io，由上式得： 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. 电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出： 电流断续时，txElectrical Sources中选择“AC Voltage Sources”交流电源模块，用于模拟实际的交流电。Simulink中模块如图5.1所示，双击模块，打开参数设置对话框，这里，参数设置如图5.2所示。2. 反电动势在SimPowerSystemElectrical Sources选择“DC Voltage Sources”直流电原模块，用于模拟负载为直流电动机或蓄电池时出现的反电势，若负载无反电势时只需令其为零即可，模块如图5.3所示。参数设置： Amplitude（V）：1 图5.1 交流电压模块 图5.3 直流电模块 图5.2 交流电参数设置 图5.5 变压器参数设置3. 变压器在SimPowerSystemElements选择“Linear Transformer”变压器模块，用于将工频50Hz的220V较高电压的交流电，变为适合整理电路用较低电压的交流电。Linear Transformer模块如图5.4所示，参数设置如图5.5所示。 图5.4 变压器模块 图5.6 串联RLC模块4. 串联阻感容模块在SimPowerSystemElements选择“Series RLC Branch”阻感容串联模块。在Simulink模块库中没有专用的电阻、电感、电容模块，它们均可以通过Series RLC Branch模块通过参数的设置来实现，模块如图5.6所示。参数设置：1) 电阻R Branch type：R Resistance（0hms）：152) 电感L1 Branch type：L Inductance（H）：1e-103) 电感L2 Branch type：L Inductance（H）：24) 电容C Branch type：C Capacitance（F）：470e-65. 电力二极管模块在SimPowerSystemPower Electronics选择“Diode”电力二极管模块，模块如图5.7所示，参数设置如图5.8所。 图5.7 电力二极管模块 图5.9 IGBT模块 图5.8电力二极管参数 图5.10 IGBT参数6. 全控器件IGBT模块在SimPowerSystemPower Electronics选择全控型“IGBT”模块，模块如图5.9所示，参数设置如图5.10所。7. 电压电流测量模块在SimPowerSystemMeasurements选择“Voltage Measurement”电压测量模块和“Current Measurement”电流测量模块，通过这些模块，可以方便的与示波器模块相连接来进行参数的测量。模块如图5.11所示。图5.11 电压和电流测量模块8. 示波器模块在SimulinkSinks选择“Scope”示波器模块，用来与电压和电流测量模块配合使用，显示测量点的电压或电流波形。“Scope”示波器模块可以参数设置测量输入端的数目，也就是说可以同时进行多路的测量，既可以是电压，也可以是电流，仿真时可以通过双击示波器模块，打开显示波形的界面，该界面有很多按钮，可以进行X轴和Y轴的放大显示，方便观察测量的波形，选择“Parameters”按钮模块，打开示波器的属性设置窗口，在Number of axes中输入需要的端口数目即可。模块如图5.12所示。 图5.12 示波器模块 图5.13 Powergui模块9. Powergui模块在SimPowerSystem选择“Powergui”模块，模块如图5.13所示。Powergui 是一个环境模块，是一个接口工具，用来采集信号，连接起电路图的各个元件，任何一个含有 SimPowerSystem 模块的模型中必须含有一个。它储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。没有它，仿真不能启动，会给出一个错误提示。模块如图5.13所示。参数设置：在参数设置对话框中，选择Simulation and configuration optionconfigure parameters选项，弹出的“Solver”选项卡后进行相关设置。 Simulation type：Discrete Sample time：1e-610. PWM脉冲模块在SimulinkSources选择“Pulse Generator”模块，用来模拟PWM控制电路和驱动电路，该模块通过参数的设置，可以实现任意周期，任意宽度，任意幅值的脉冲信号，模块如图5.14所示。参数设置如图5.15所示。 图5.14 脉冲产生模块 图5.15 脉冲产生模块参数设置5.2 仿真电路设计在Simulink中选择FileNewModel，即可创建以一个由工具栏和绘图区构成的“*.mdl”文件，将选择的各个模块从库中拖到新建的绘图区，进行连线，即可完成电路图的绘制。电路图如图5.16所示。 图5.16 仿真电路图5.3 仿真波形设置仿真时间为1s，仿真过程中或仿真结束后，双击示波器模块，即可查看各个测量点的波形，如图5.17所示。图 5.17 各测量点的电压和电流波形5.4 仿真分析由仿真输出的波形,分析如下:1. 输入侧为标准工频50Hz的220V交流电源，变压器变比为22:3，可知，变压器二次侧输出为30V的交流电，由整流输出电压波形可以看出。初期电压峰值约为30V，波形很快趋于稳定约为E=23V，位于20-30V之间，符合设计要求。2. 对主电路而言，输入侧即为整流输出的E=23V直流电，由“Pulse Generator”模块参数设置可知脉冲周期T=3.33e-5s，ton=50%T，由电流连续时,负载电压的平均值计算公式:可得U0=1/2E=11.5V。由负载电压波形可以看出，电压上升时间约为0.4s，上升到11V左右后趋于稳定，近乎直线，与计算值接近，可见输出波形较为理想，且位于0-15V之间，符合设计要求。3. 由变压器二次侧电流波形与图2.3 b对比，波形基本符合。4. 由整流输出电流波形可以看出，电流脉动频率很高，主要是由于IGBT全控开关管以30KHz的频率导通和关闭，使得电流也随之导通和关断，从而产生了很高的脉动频率，符合设计要求。5. 反电动势Em=1V，负载电阻R=15，由负载电流平均值计算公式: 可得I0=(11.5-1)/15=0.7V。负载电流波形可以看出，电流上升时间约为0.4s，上升到0.7A后趋于稳定，近乎直线，与计算值接近，可见输出波形较为理想，且位于0-1A之间，符合设计要求。 第6章 设计总结6.1 设计回顾通过这个学期的电力电子课程设计，初步掌握了如何在MATLAB/SIMULINK环境中进行电路图的绘制和仿真,基本学会了如何进行各个参数的设置和计算,了解了一些故障的解决办法，为以后的工作和学习奠定了一定的基础。6.2 心得体会通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法.6.3 参考文献【1】王兆安 黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社, 2000【2】浣喜明 姚为正.电力电子技术.高等教育出版社，2000【3】莫正康电力电子技术应用（第3版）.机械工业出版社，2000【4】郑琼林 耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社，1996【5】刘定建 朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社，1996【6】刘祖润 胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社，1995【7】邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真分析.清华大学出版社，2008【8】张圣勤.MATLAB 7.0实用教程.机械工业出版社，200625