直流斬波PWM控制Matlab仿真

1、課程設計任務書學生姓名：指導教師：題目:直流斬波專業(yè)班級：工作單位：PWM控制 Matlab仿真初始條件：輸入 200V直流電壓。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、要求得到 0100V直流電壓。2、在 Matlab/simulink中建立電路仿真模型；3、對電路進行仿真；4、得到結果并對結果進行分析；時間安排：課程設計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復習有關知識，閱讀課程設計指導書，搞懂原理，并準備收集設計資料，此階段約占總時間的 20%。第二階段：根據(jù)設計的技術指標要求選擇方案，設計計算。第三階段：完成設計和文檔整理，約占總時間的4

2、0%。指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日目錄摘要 . .11概述及設計要求 . .21.1概述 .21.2設計要求 .22 降壓斬波電路拓撲分析 . .32.1降壓斬波器基本拓撲 .32.2buck 開關型調整器拓撲分析 . .32.3降壓斬波電路的重要參數(shù)計算方法 .42.3.1 buck調整器的效率 .42.3.2 buck調整器的理想開關頻率 .42.3.3輸出濾波電感的選擇 . .52.3.4輸出濾波電容的選擇 . .53電路設計 . .63.1 buck 主電路設計 . .63.2脈寬調制電路設計 .73.3 MOS 管驅動電路設計 . .83.4系統(tǒng)工作總電路 .

3、84 Matlab 建模仿真及分析 .94.1Matlab仿真模型的建立 . .94.2Matlab仿真結果及分析 . .10結束語 . .14參考文獻 . .15摘要隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多。電子設備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。開關電源因其體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設備中得到廣泛的應用。伴隨著人們對開關電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關電源成為研究趨勢。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源。斬波電路主要用于電子電路

4、的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。斬波器的工作方式有脈寬調制方式（Ts 不變改變 ton ）和頻率調制方式（ ton 不變改變 Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產生干擾。本次設計要求對直流斬波電路進行Matlab 仿真，得到仿真結果，并加以分析，利用 Matlab 的 sinulink 工具箱來完成仿真任務。若想得到穩(wěn)定的電壓輸出，要進一步研究 PWM調節(jié)方式，通過施加反饋系統(tǒng)，得到穩(wěn)定的輸出電壓。關鍵字：降壓斬波Matlab仿真 PWM調節(jié)11 概述及設計要求1.1概述在電力電子技術中， 將直流電的一種電壓值通過電力電子變換裝置變換為另一種固定或可調電壓值的變換，稱為直流直流

5、變換。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動機傳動、開關電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領域的交直流電源。直流斬波 PWM控制技術是采用脈寬調制技術通過對開關管的通斷的占空比的控制來達到改變輸出電壓的目的。基本的拓撲結構包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、 Cuk斬波電路、 Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路，其中降壓斬波電路 （buck）和升壓斬波電路（ boost ）是應用最多也是最廣泛的。根據(jù)本設計的設計指標要求，下面將對降壓斬波電路進行原理圖的設計及利用matlab 軟件進行仿真驗證。1.2設計要求本設計要求輸入 200V 直流電壓，采用 PWM斬波控制技術，

6、得到得到0100V直流電壓。并且建立 Matlab 仿真模型，對電路進行分析，得到結果并對結果進行分析。22 降壓斬波電路拓撲分析根據(jù)題目要求，本設計采用降壓斬波電路進行設計，利用PWM 控制技術實現(xiàn)題目所要求的指標。2.1降壓斬波器基本拓撲圖 1 buck 電路基本拓撲Buck 斬波電路如下圖 1 所示，假設電路中電感 L 值、電容 C 值很大，當可控開關 V 開通時，電源 E 向負載供電，負載電壓 U 0 =E，負載電流 i0 按指數(shù)曲線上升 。當可控開關V 關閉時，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓 U 0 近似為零，負載電流i0 按指數(shù)曲線下降。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的

7、初值和終值相等，設V 通的時間為t on，。V 關斷的時間為 toff ，則負載電壓的平均值為U 0tontonton EaEtoffT其中 T為開關周期， a 為導通占空比 。2.2 buck 開關型調整器拓撲分析圖2 buck 開關型調整器結構圖3對于圖 2所示的 buck基本拓撲，屬于開環(huán)控制，實際應用中如果出現(xiàn)電網(wǎng)波動，可能造成輸出電壓不穩(wěn)，無法正常工作。而加入如圖2-2 所示的反饋調節(jié)電路，可是輸出電壓穩(wěn)定。反饋過程如下：采樣電阻 R1和 R2檢測出 U 0 ，并將其輸入誤差放大器（ EA）與參考電壓 Vref 進行比較。被放大的誤差電壓 Vea 被輸入到電壓比較器 PWM中。 PW

8、M比較器的另一端輸入是周期為 T的鋸齒波，其幅值一般為 3V。PWM電壓比較器產生矩形波脈沖 （從鋸齒波起點開始到鋸齒波與誤差放大器輸出電壓交點結束）。因此，PWM輸出的脈沖寬度Ton 與誤差放大器輸出電壓成比例。PWM脈沖輸入到電流放大器并以負反饋方式控制開關管 Q1的通斷。若輸入電壓 E稍升高，則 EA輸出電壓 Vea 將降低使鋸齒波與 Vea 交點提前， Q1導通時間 Ton 將縮短使輸出電壓 U 0ETon / T 維持不變，同理，當E下降時，Ton 增大，使 U 0維持穩(wěn)定。2.3降壓斬波電路的重要參數(shù)計算方法2.3.1 buck調整器的效率針對圖 2-2 所示拓撲結構，分析 buc

9、k調整器的效率如下：電路的所有損耗只是 Q1和 D1的導通損耗加上 Q1的交流開關損耗。 Q1導通瞬間， Q1上升電流和下降電壓有重疊， 會造成導通損耗。 而在 Q1關斷瞬間，下降電流和上升電壓有重疊，會造成關斷損耗。設直流輸出電流為I 0 ，由于在很寬的電流范圍內，Q1和D1的導通壓降近似為 1V，所以導通損耗可表達為Ps L (Q1) L(D1)1I 0Ton1I 0Toff1I 0TT若忽略交流開關損耗，則效率為P0V0I0V0Efficiency=V0I 01I 0V0 1P0 Ps此公式是用于粗略的估計buck 電路的效率，如果需要精確計算buck 電路的效率，則還需進一步的計算交流

10、開關損耗及了解開關管的工作狀態(tài)。2.3.2 buck調整器的理想開關頻率buck 調整器的開關頻率的選擇問題有兩面需要考慮，一方面，適當?shù)奶岣唛_關頻率，可以減小電感和電容的體積，但另一方面，因為交流損耗與開關周期T 成反比。縮短周4期會使損耗增大，則開關管需要更大的散熱器以限制其升溫。綜上所述，開關管的開關頻率不宜過高，一般在數(shù)十Hz 到數(shù)百 Hz 之間。2.3.3輸出濾波電感的選擇電感的大小選取對電路的性能影響很大，它決定了buck 電路是工作在連續(xù)模式和不連續(xù)模式，對于有些帶buck 型輸出濾波器的拓撲會在不連續(xù)模式下出現(xiàn)問題。一般設計電感值時，應保證直到輸出最小規(guī)定電流的十分之一時，電感

11、電流也保持連續(xù)。同時要保證電感在電流稍大時不出現(xiàn)明顯飽和。計算公式如下：L 5( EnV0 )V0TEn I onEn 為輸入電壓額定值，I on 為輸出電流額定值2.3.4輸出濾波電容的選擇圖3 非理想電容等效電路圖實際所用電容并非理想電容，它可以等效為電阻R0和 L0與其串聯(lián)等效 ， R0 稱為等效串聯(lián)電阻（ ESR）， 在300KHz一下頻率 L0 可以被忽略，,L0 稱為等效串聯(lián)電感（ ESL輸出紋波僅由 R0 和 C0決定 。 R0 決定的紋波分量與電感斜坡峰- 峰值成正比，而由 C0 決定的紋波分量與流過 C0 電流的積分成正比。 為估算紋波分量并選擇電容， 必須要知道 R0的值。

12、一般近似認為 R0 C0 的值近似為常數(shù)，為 508010 6一般先假設出電阻紋波分量 Vor ， 再由以下公式計算出 R0R0Vor0.2I on然后根據(jù) R0 C0 的平均值（通常取 65 10 6 ） 來求解 C0 ，即C065 106FR053 電路設計buck 拓撲輸出輸入0-100V200V直流電直流電IR2110S 驅動TL494脈寬電路調制圖 4 系統(tǒng)結構框圖3.1 buck 主電路設計圖 5 buck 主電路原理圖降壓斬波電路，電路工作在開關切換狀態(tài)，所以二極管要選用快恢復二極管或肖特基二極管，本設計選用 MUR8100，它的反向阻斷恢復時間僅為50ns，完全滿足設計要求。由

13、于本設計只對電壓有要求，而對電流和功率均無要求，所以對于電感和濾波電容的選取條件較為寬松，對于電感參數(shù)的確定，假設額定輸出電流I 0 =10A ，開關頻率選為50K，則 T=0.02s則：5( EnV0 )V0T5(200 100)100 0.02L500uHEn I on200 10在此選用 680uH的電感。電容參數(shù)的設計過程如下：假設由電容等效串聯(lián)電阻引起的紋波電壓為 100mV，則由公式可得：Vor0.16C065 10 F 1300uFR00.050.2I on0.2 10R06本設計中考慮裕量，選用2000uF 的電容，且采用兩個1000uF的電容進行并聯(lián)，可降低電容的等效串聯(lián)電阻

14、，進而減小由等效串聯(lián)電阻引起的紋波。3.2脈寬調制電路設計圖 6 脈寬調制電路設計本設計選用 TL494 作為脈寬調制電路的主要芯片， TL494 是一種固定頻率脈寬調制電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進行調節(jié)。此外內部集成了兩個誤差放大器，功率輸出管Q1 和 Q2 受控于或非門。當雙穩(wěn)觸壓器的時鐘信號為低電平時才會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。如圖6 所示電路， TL494 共有兩個誤差放大器，當只使用其中一個時，要將另一個誤差放大器的反相輸入端引腳接高電平，同相輸入端引腳接低電平， 這樣可將

15、此誤差放大器屏蔽掉， 避免影響工作的誤差放大器。（因為兩個誤差放大器連接方式為輸出端接二極管后相連的結構）。此外，在本設計中，利用 R5 、 R3 、 C6 與誤差放大器構成PI 調節(jié)器， 可以進一步減小輸入電壓與參考電壓的偏差，更好地起到輸出電壓追蹤參考電壓的作用。工作過程為：設置參考電壓，將采樣回來的電壓與參考電壓輸入誤差放大器，誤差放大器輸出的偏差電壓與振蕩器產生的鋸齒波進行比較，不同的偏差電壓與鋸齒波的交點不同，這樣就形成了不同占空比的PWM波用于驅動開關管 ， 偏差電壓越小，則占空比越大，形成負反饋調節(jié)，維持輸出電壓穩(wěn)定。其中振蕩頻率由RT 和 CT 決定 ， 由公式計算得：f =

16、1.1 =1.110320 KHzRTCT0.01 5.673.3 MOS管驅動電路設計圖 7 MOS管驅動電路設計當設計中用 IGBT或功率 MOSFET時，通常需要設計MOS管驅動電路， IR2110 驅動芯片采用高壓浮動驅動方式，特別適用于驅動橋式電路，采用自舉法實現(xiàn)高壓浮動柵極雙通道驅動，因此可以驅動 500 V 以內的同一相橋臂的上下兩個開關管，減小了裝置體積，節(jié)省了成本。它允許驅動信號的電壓上升率達±50 V/ s，極大地減小了功率開關器件的開關損耗，圖騰柱輸出電壓可達2A, 基本滿足常用功率MOS管的驅動功率要求。3.4系統(tǒng)工作總電路圖 8 系統(tǒng)工作電路圖84 Matl

17、ab 建模仿真及分析4.1 Matlab仿真模型的建立本設計借助于Matlab 的 sinulink工具箱來實現(xiàn) buck 電路的建模。圖 9 為未帶反饋的 buck 電路模型圖。PulseContinuousGeneratorSeries RLC BranchgmpowerguiCEIGBT/Diode+Scopev-DiodeSeries RLC Branch1Series RLCVoltageBranch2MeasurementDC Voltage Source圖 9 為未帶反饋的 buck 電路模型圖。該電路中開關器件用IGBT，控制 IGBT 的波形由 PWM脈沖生成器 Pulse

18、Generator產生， Pulse Generator在 Simulink Library Browser的 Simulink下拉菜單 Sources類別中。在繪制仿真圖時，打開SimulinkLibraryBrowser ，可以在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，如Pulse Generator，雙擊查找。找到元件后直接將其拖到新建Model 文件窗口中即可。IGBT和二極管，選擇 SimPowerSystems下拉菜單 Power Electronics類別中的 IGBT 和 Diode。電阻、電感和電容元件，選擇SimPowerSystems下拉菜單 Eleme

19、nts 類別中的 Series RLC Branch ，放入窗口后，雙擊該圖標，在 Branch Type 中選擇相應類型，如電阻選R，電感選 L，電容選 C，選擇完畢后單擊 OK按鈕。放齊元件后，按升降壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應在輸出端加上電壓測量裝置Voltage Measurement，并在 Simulink下拉菜單 CommonlyUsed Blocks 類別中選擇 Scope，即示波器，以觀測輸出電壓波形。在不帶反饋的Buck模型下，記錄下仿真的輸出電壓波形。9Scope2ContinuousPulsepowerguiScope1Scope5Generatorgm

20、Series RLC BranchCE+i-IGBT/DiodeCurrent Measurement1Current Measurement3+i -i -Current Measurement+Series RLC Branch1ScopeDiodeSeries RLC Branch2DC Voltage Source+v-Voltage MeasurementScope3Constant11RepeatingSwitchSequenceScope4100Constant0Constant2圖 10 帶反饋 buck 電路模型圖本模型的建立利用PWM控制原理，利用 simulink庫里面的

21、減法器模擬誤差放大器，在 constant 模塊里設定的常數(shù)模擬參考電壓，因 simulink 中沒有專門的比較器，故利用一個減法器和一個選擇開關模擬比較器，結合 buck 開環(huán)模型構成了帶反饋自調整的buck 模型。4.2 Matlab仿真結果及分析因為輸入電壓為 200 伏，仿真過程中控制占空比為 50%，則輸出電壓為 100V,下面將對輸出電壓為 100V 時，未加反饋和加反饋的 buck 電路進行對比分析。10圖 11 未加反饋的仿真結果圖圖 12加反饋的仿真結果圖將圖 11 和圖 12 進行對比可得出，兩個電路在啟動時會有短暫的過電壓過程，這在設計電路時要加過壓保護電路。且過電壓峰值

22、基本相同，說明施加反饋的過程中沒有改變超調量，但可以看出，施加反饋環(huán)節(jié)大大地縮短了輸出電壓的調節(jié)時間，且使輸出更穩(wěn)定，所以，在實際應用中，我們要盡量設計閉環(huán)系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)往往對干擾的抑制能11力有限，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 適當?shù)氖┘忧‘數(shù)姆答仯?有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 13 流過電感的電流波形圖 14 流過二極管的電流波形12圖 15輸出電流波形對比以上三幅圖，圖13 為流過電感的電流波形，當開關管導通時，導通壓降為零，加在電感上的電壓就為輸入與輸出電壓之差，由于電感上的電壓恒定，所以流過電感的電流線性上升，且斜率為dI / dT(U iU 0 ) / L0 ， 使得電感電流為右階梯的斜坡。而圖14 所示為續(xù)流二極管的電流波形，當開關管關斷時，