直流斬波PWM控制Matlab仿真

1、直流斬波PWM控制Matlab仿真 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 初始條件： 輸入200V直流電壓。 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)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(jié)果并對結(jié)果進行分析； 時間安排： 課程設(shè)計時間為兩周，將其分為三個階段。 第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識，閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計資料，此階段約占總時間的20%。 第二階段：根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計計算。 第三階段：完成設(shè)計和文檔整

2、理，約占總時間的40%。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄 摘要 . 1 1 概述及設(shè)計要求 . 2 1.1 概述 . 2 1.2 設(shè)計要求 . 2 2 降壓斬波電路拓?fù)浞治?. 3 2.1 降壓斬波器基本拓?fù)?. 3 2.2 buck開關(guān)型調(diào)整器拓?fù)浞治?. 3 2.3 降壓斬波電路的重要參數(shù)計算方法 . 4 2.3.1 buck調(diào)整器的效率 . 4 2.3.2 buck調(diào)整器的理想開關(guān)頻率 . 4 2.3.3 輸出濾波電感的選擇 . 5 2.3.4 輸出濾波電容的選擇 . 5 3 電路設(shè)計 . 6 3.1 buck主電路設(shè)計 . 6 3.2 脈寬調(diào)制

3、電路設(shè)計 . 7 3.3 MOS管驅(qū)動電路設(shè)計 . 8 3.4 系統(tǒng)工作總電路 . 8 4 Matlab建模仿真及分析 . 9 4.1 Matlab仿真模型的建立 . 9 4.2 Matlab仿真結(jié)果及分析 . 10 結(jié)束語 . 14 參考文獻 . 15 摘要 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。電子設(shè)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(guān)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(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對開關(guān)電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關(guān)電源成為研究趨勢。 DC/DC變換是將固定的直流電壓

4、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的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負(fù)載等。斬波器的工作方式有脈寬調(diào)制方式（Ts不變改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變改變Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產(chǎn)生干擾。 本次設(shè)計要求對直流斬波電路進行Matlab仿真，得到仿真結(jié)果，并加以分析，利用Matlab的sinulink工具箱來完成仿真任務(wù)。若想得到穩(wěn)定的電壓輸出，要進一步研究PWM調(diào)節(jié)方式，通過施加反饋系統(tǒng)，得到穩(wěn)定的輸出電壓。 關(guān)鍵字：降壓斬波 Matlab仿真 PWM調(diào)節(jié) 1 1 概述及設(shè)計要求 1.1 概述 在電力電子技術(shù)中，將

5、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(diào)電壓值的變換，稱為直流直流變換。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動機傳動、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。 直流斬波PWM控制技術(shù)是采用脈寬調(diào)制技術(shù)通過對開關(guān)管的通斷的占空比的控制來達(dá)到改變輸出電壓的目的?；镜耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用最多也是最廣泛的。根據(jù)本設(shè)計的設(shè)計指標(biāo)要求，下面將對降壓斬波電路進行原理圖的設(shè)計及利用matlab軟件進行仿真驗證。 1.2

6、 設(shè)計要求 本設(shè)計要求輸入200V直流電壓，采用PWM斬波控制技術(shù)，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(jié)果并對結(jié)果進行分析。 2 2 降壓斬波電路拓?fù)浞治?根據(jù)題目要求，本設(shè)計采用降壓斬波電路進行設(shè)計，利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)題目所要求的指標(biāo)。 2.1 降壓斬波器基本拓?fù)?圖1 buck電路基本拓?fù)?Buck斬波電路如下圖1所示，假設(shè)電路中電感L值、電容C值很大，當(dāng)可控開關(guān)V開通時，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U0=E，負(fù)載電流i0按指數(shù)曲線上升。當(dāng)可控開關(guān)V關(guān)閉時，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓U0近似為零，負(fù)載電流i0按指數(shù)曲線下降。當(dāng)電路工作于

7、穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，設(shè)V通的時間為ton，。V關(guān)斷的時間為toff，則負(fù)載電壓的平均值為 t t U ?on?onE?aE0 ton?toffT 其中T為開關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比。 2.2 buck開關(guān)型調(diào)整器拓?fù)浞治?圖2 buck開關(guān)型調(diào)整器結(jié)構(gòu)圖3 對于圖2所示的buck基本拓?fù)?，屬于開環(huán)控制，實際應(yīng)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(diào)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U0，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(chǎn)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(jié)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(fù)反饋方式控制開關(guān) 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(dǎo)通時間Ton將縮短使輸出電壓U0?ETon/T維持不變，同理，當(dāng)E下降時，使U0Ton增大，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(diào)整器的效率 針對圖2-2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析buck調(diào)整器的效率如下： 電路的所有損耗

9、只是Q1和D1的導(dǎo)通損耗加上Q1的交流開關(guān)損耗。Q1導(dǎo)通瞬間，Q1上升電流和下降電壓有重疊，會造成導(dǎo)通損耗。而在Q1關(guān)斷瞬間，下降電流和上升電壓有重疊，會造成關(guān)斷損耗。設(shè)直流輸出電流為I0，由于在很寬的電流范圍內(nèi)，Q1和D1的導(dǎo)通壓降近似為1V，所以導(dǎo)通損耗可表達(dá)為 ToffTonPs?L(Q1)?L(D1)?1I0?1I0?1I0TT 若忽略交流開關(guān)損耗，則效率為 Efficiency=P0V0I0V?0P0?PsV0I0?1I0V0?1 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開關(guān)損耗及了解開關(guān)管的工作狀態(tài)。 2.3.2 buck

10、調(diào)整器的理想開關(guān)頻率 buck調(diào)整器的開關(guān)頻率的選擇問題有兩面需要考慮，一方面，適當(dāng)?shù)奶岣唛_關(guān)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(guān)周期T成反比?？s短周 4 期會使損耗增大，則開關(guān)管需要更大的散熱器以限制其升溫。綜上所述，開關(guān)管的開關(guān)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?fù)鋾诓贿B續(xù)模式下出現(xiàn)問題。一般設(shè)計電感值時，應(yīng)保證直到輸出最小規(guī)定電流的十分之一時，電感電流也保持連續(xù)。 同時要保證電感在電流稍大時不出現(xiàn)明顯

11、飽和。計算公式如下： 5(En?V0)V0T L? EnIon En為輸入電壓額定值，Ion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）, L0稱為等效串聯(lián)電感（ESL），在300KHz一下頻率L0可以被忽略，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。一般近似認(rèn)為R0C0的值近似為常數(shù)，為5080?10?6 一般先假設(shè)出電阻紋波分量Vor，再

12、由以下公式計算出R0 R0? 然后根據(jù)R0C0的平均值（通常取65?10?6）來求解C0，即 Vor0.2Ion65?10?6C0?FR0 5 3 電路設(shè)計 圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3.1 buck主電路設(shè)計 圖5 buck主電路原理圖 降壓斬波電路，電路工作在開關(guān)切換狀態(tài)，所以二極管要選用快恢復(fù)二極管或肖特基二極管，本設(shè)計選用MUR8100，它的反向阻斷恢復(fù)時間僅為50ns，完全滿足設(shè)計要求。 由于本設(shè)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(shè)額定輸出電流I0=10A，開關(guān)頻率選為50K，則T=0.02s 則： L? 5(En?V

13、0)V0T5(200?100)100?0.02?500uHEnIon200?10 在此選用680uH的電感。電容參數(shù)的設(shè)計過程如下：假設(shè)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： ?Vor?0.1?0.05R00.2Ion0.2?10 65?10?6 C0?F?1300uFR0 6 本設(shè)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，進而減小由等效串聯(lián)電阻引起的紋波。 3.2 脈寬調(diào)制電路設(shè)計 圖6 脈寬調(diào)制電路設(shè)計 本設(shè)計選用TL494作為脈寬調(diào)制電路的主要芯片，TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩

14、器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。此外內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)）。此外，在本設(shè)計中， 利用R5、R3、C6與誤差放大器構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器， 可以進一步減小輸入電壓與參考電壓的

15、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(shè)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(chǎn)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(qū)動開關(guān)管，偏差電壓越小，則占空比越大，形成負(fù)反饋調(diào)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 = 1.11.1=?103?20KHzRTCT0.01?5.6 7 3.4 系統(tǒng)工作總電路 3.3 MOS管驅(qū)動電路設(shè)計 的開關(guān)損耗，圖騰柱輸出電壓可達(dá)2A,基本滿足常用功率MOS管的驅(qū)動功率要求。 節(jié)省了成本。它允許驅(qū)動信號的電壓上升率達(dá)

16、±50 V/s，極大地減小了功率開關(guān)器件片采用高壓浮動驅(qū)動方式，特別適用于驅(qū)動橋式電路，采用自舉法實現(xiàn)高壓浮動?xùn)艠O雙 當(dāng)設(shè)計中用IGBT或功率MOSFET時，通常需要設(shè)計MOS管驅(qū)動電路，IR2110驅(qū)動芯通道驅(qū)動，因此可以驅(qū)動500 V以內(nèi)的同一相橋臂的上下兩個開關(guān)管，減小了裝置體積，圖8 系統(tǒng)工作電路圖 圖7 MOS管驅(qū)動電路設(shè)計 8 4 Matlab建模仿真及分析 4.1 Matlab仿真模型的建立 本設(shè)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。 圖9為未帶反饋的buck電路模型圖。 該電路中開關(guān)器件用IGBT，控

17、制IGBT的波形由PWM脈沖生成器Pulse Generator產(chǎn)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Simulink Library Browser，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SimPowerSys

18、tems下拉菜單Elements類別中的Series RLC Branch，放入窗口后，雙擊該圖標(biāo)，在Branch Type中選擇相應(yīng)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(yīng)在輸出端加上電壓測量裝置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜單Commonly Used 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。 9 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庫里面的減

19、法器模擬誤差放大器，在constant模塊里設(shè)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(guān)模擬比較器，結(jié)合buck開環(huán)模型構(gòu)成了帶反饋自調(diào)整的buck模型。 4.2 Matlab仿真結(jié)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(jié)果圖 圖12 加反饋的仿真結(jié)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(shè)計電路時要加過壓保護電路。且過電壓峰值基本相同，說明施加反饋的過程中

20、沒有改變超調(diào)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(diào)節(jié)時間，且使輸出更 穩(wěn)定，所以，在實際應(yīng)用中，我們要盡量設(shè)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(dāng)?shù)氖┘忧‘?dāng)?shù)姆答?，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(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，導(dǎo)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?(Ui?U0)/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(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電流轉(zhuǎn)移流向二極管，此時電感兩端電壓的極性相反，電感中的電流線性下降且斜率為dI/dT?