課程設計--直流斬波電路

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器(DC/DC Converter)。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。習慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。 直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路

2、：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，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎。 利用不同的基本斬波電路進行組合，可構成復合斬波電路，如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路等。利用相同結構的基本斬波電路進行組合，可構成多相多重斬波電路。 直流斬波電路廣泛應用于直流傳動和開關電源領域，是電力電子

3、領域的熱點。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了GTR和電力MOSFET的優(yōu)點，具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場，應用領域迅速擴展，成為中小功率電力電子設備的主導器件。 </p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室Matrix Laboratory的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語

4、言和交互式環(huán)境，SIMULINK是MATLAB軟件的擴展它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，本課程設計的仿真即需要在SIMULINK中來完成電路的仿真與計算。通過系統(tǒng)建模和仿真，掌握和運用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法。</p><p><b>　　1.設計思路與框圖</b></p><p><b>　　1.1 設計思路 </

5、b></p><p>　　本課程設計主要應用了MATLAB 軟件及其組件之一SIMULINK進行系統(tǒng)的設計與仿真系統(tǒng)主要包括：BUCK降壓斬波主電路部分、PWM控制部分和負載。BUCK降壓斬波主電路部分拖動帶反電動勢的電阻負載，模擬現(xiàn)實中一般的負載，若實際負載中沒有反電動勢，只需令其為零即可[1]。</p><p>　　PWM控制部分為主電路部分提供脈沖信號，控制全控器件IGBT的導

6、通和關斷，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。在SIMULINK中完成各個功能模塊的繪制后，即可進行仿真和調(diào)試，用SIMULINK提供的示波器觀察波形，進行相應的電壓和電流等的計算，最后進行總結，完成整個BUCK變換器的研究與設計[2]。 </p><p><b>　　1.2系統(tǒng)框圖 </b></p><p>　　系統(tǒng)框圖如圖1所示: </p><p>　　圖

7、1 BUCK變換器系統(tǒng)結構總框圖</p><p>　　2.PWM控制器的設計</p><p>　　2.1 PWM控制的基本原理</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等許多領域。一種模

8、擬控制方式，根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定[3]。</p><p>　　2.2 PWM波的分類</p><p>　　根據(jù)PWM波形的幅值是否相等，PWM波可分為等幅PWM波和不等幅PWM波。由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路和PWM整流電路等；當輸

9、入電源是交流時，得到的即為不等幅PWM波，都基于面積等效原理，本質(zhì)是相同的。根據(jù)所控制電路的不同，PWM波又可分為電壓波和電流波[4]。</p><p>　　2.3 PWM的產(chǎn)生原理</p><p>　　PWM可以通過芯片和軟件來實現(xiàn)，在此我選擇的是軟件實現(xiàn)，通過對單片機的P3的第七個管腳編程來產(chǎn)生40KHZ的PWM，其占空比是56%。其原理圖如圖2所示：</p><p

10、>　　圖2 PWM產(chǎn)生電路圖</p><p>　　2.4 PWM放大原理</p><p>　　由單片機產(chǎn)生的PWM的一個缺點就是驅(qū)動能力不足，所以在單片機的P3的第七個管腳需要加一個驅(qū)動電路，需要使用芯片IR2101來獲得足夠大的電壓來驅(qū)動場效應管。如圖3所示為IR2101的芯片管腳：</p><p>　　圖3 IR2101引腳圖</p><

11、;p>　　其引腳作用如圖4所示：</p><p><b>　　圖4 管腳功能圖</b></p><p><b>　　其連接方式如圖5：</b></p><p><b>　　圖5 管腳連接圖</b></p><p>　　3.BUCK變換器的設計</p><

12、;p>　　3.1 BUCK變換器的基本原理</p><p>　　BUCK電路是由晶體開關管V、續(xù)流二極管VD和LC輸出濾波器組成，圖中RL表示負載。其電路圖如圖6：</p><p>　　圖6 BUCK降壓斬波電路圖</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，V周期性的導通和關斷，將直流輸入電壓斬波、生成脈寬為TON的矩形波脈沖電壓；然后再由LC濾波器濾波，當LC足夠大時輸出

13、電壓的紋波足夠小，可以認為是平滑直流電壓，穩(wěn)態(tài)時根據(jù)電感電流是否連續(xù)，BUCK變換器有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式。</p><p>　　3.2 IGBT簡介</p><p>　　IGBT的等效電路如圖7所示。由圖可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓,則IGBT導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則IGBT截

14、止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止[5]。</p><p>　　圖7 內(nèi)部結構圖由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：</p><p>　　——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；——流過IGBT集電極發(fā)射極的電流；——IGBT的結溫。 </p><p>　　如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓

15、，即驅(qū)動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極—發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極—發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極—發(fā)射極的電流超過集電極發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞[6]。</p><p><b>　　3.3 控制方式</b></p>

16、<p>　　根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式(時間比控制方式)：（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。（定頻調(diào)寬控制模式） ?。?）頻率調(diào)制：ton不變，改變T。（定寬調(diào)頻控制模式） （3）混合型：ton和T都可調(diào)，改變占空比。（調(diào)寬調(diào)頻混合控制模式）</p><p>　　4.BUCK主電路參數(shù)設計</p><p><

17、;b>　　4.1參數(shù)選擇原理</b></p><p>　　在Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設計原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過，抑制輸出電壓的開關頻率及其諧波分量通過。但是，構建一個能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中至少有一小部分是由于開關產(chǎn)生的高頻諧波。因此，輸出電壓波形事實上如圖8所示，可以表達為[7]：&

18、lt;/p><p><b>　　圖8 電壓波形圖</b></p><p>　　所以實際的輸出電壓由所需要的直流分量UO加少量的交流分量uripple所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關諧波所產(chǎn)生[8]。 </p><p>　　由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開關紋波很小。所以，通?？梢约僭O開關紋波的幅值遠遠小于

19、直流分量，即：</p><p>　　|Uripple|max<< Uo（4.1.1）</p><p>　　因此，輸出電壓近似為直流分量UO，而忽略其小紋波成分uripple，即：</p><p>　　uo(t)≈Uo （4.1.2）</p><p>　　上述近似稱為小紋波近似

20、，或稱線性紋波近似，可大大簡化變換器波形的分析。 </p><p>　　下面分析電感電流波形，進而得出電感的計算公式。通過電感電壓波形的積分可以得到電感電流。在圖8中把V看成開關漏極為位置1，柵極為位置2。開關在位置1時，電感在左側(cè)與輸入電壓Ud相連，電路簡化為下圖9（a）[9]。電感電壓為:</p><p>　　uL(t)=Ud-uo(t) (4

21、.1.3)</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　圖9 等效電路圖</b></p><p>　　如上所述，輸出電壓uo(t)為其直流分量Uo加小的交流紋波成分uripple（t）。采用小紋波近似，式（

22、4.1.2）中的uo(t)用其直流分量Uo代替，得到:</p><p>　　uL(t)=Ud-Uo (4.1.4)</p><p>　　開關在位置1時，電感電壓等于Ud-Uo，如圖9（b）所示。電感電壓方程為:</p><p>　　uL(t)=LdiL(t)/dt (4.1.5)

23、</p><p>　　在第一個子區(qū)問，由上式可以解得電感電流波形的斜率為:</p><p>　　diL(t)/dt=uL(t)/L=Ud-Uo/L (4.1.6)</p><p>　　由于開關在位置1時，電感電壓近似為常量，因此電感電流的變化率也近似為常數(shù)，電感電流線性上升。</p><p>　　當在第二個子區(qū)間，開關處于

24、位置2時，電感的左端與參考地相連，簡化電路如圖9 (b)所示。所以，在第二個子區(qū)間，電感電壓為：</p><p>　　uL(t)=-uo(t) (4.1.7)</p><p>　　采用小紋波近似式（4.1.2）得到：</p><p>　　uL(t)=-Uo (4.1

25、.8)</p><p>　　所以，當開關處于位置2時的電感電壓為常量，如圖9 (b)所示。將式(4.1.8)</p><p>　　代入式(4.1.5)中，得到電感電流的斜率為:</p><p>　　diL (t)=-Uo/L (4.1.9)</p><p>　　因此，在第二個子區(qū)問，電感電流的變化

26、率為一負的常量?，F(xiàn)在，電感電流的波形如下圖所示，電感電流從初始值iL(0)開始。在第一個子區(qū)間開關處于位置1時，電感電流以給出的斜率上升。在時刻t=DTs，開關轉(zhuǎn)至位置2.然后電感電流以式(4.1.9)所給出的斜率下降。在時刻t=Ts，開關轉(zhuǎn)回位置I，以下過程重復[10]。</p><p>　　下面計算電感電流紋波△iL。下圖10所示，電感電流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的紋波△iL。此峰值電流不僅流過電

27、感，而且流過半導體器件。當確定這些器件的參數(shù)時，需要知逆峰值電流[11]。</p><p><b>　　圖10 電感電流</b></p><p>　　已知在第一個子區(qū)間中的電感電流流的斜率和第一個子區(qū)間的長度，可以計算其紋波幅值，iL(t)的波形關于I對稱，因此在第一個子區(qū)間中的電流上升2△iL(△iL是紋波峰值，因此紋波峰值為2△iL)。所以</p>

28、<p>　　iL(t)的變化量=斜率╳子區(qū)間長度</p><p><b>　　電感電流的紋波為:</b></p><p>　　△iL =(Ud-Uo)DTs/2L (4.1.10)</p><p>　　△iL的典型值是在滿載時的直流分量I的10%-2O%。△iL不希望太大，否則增大流過電感和半導體開

29、關器件的電流峰值，從而將增加功率損耗和體積?？梢酝ㄟ^選擇合適的電感值得到所希望的電流紋波△iL。由式(4.1.10)得到:</p><p>　　L=(Ud-Uo)DTs/2△iL (4.1.11)</p><p>　　通常式(4.1.11)被用來選擇Buck變換器的電感值。把(4.1.11)式進一步轉(zhuǎn)化得到:</p><p>　

30、　L≥UiDmax(1-Dmax)/2kfsImax (4.1.12)</p><p>　　其中Dmax為Buck電路最大占空比，k=0.05一0.1, fs為開關管的開關頻率，Imax為最大輸出電流，U為輸入電壓。</p><p><b>　　4.2電感值的計算</b></p><p>　　因為頻率fs對于DC-DC

31、電路變換的效率影響非常的大。如果fs太高，可以使充電電感和濾波電容體積減小，但是充電電感的渦流損耗，磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的影響加大造成的其他元件損耗加大。如果fs太低，充電電感，濾波電容的體積太大，在保證充電電感量的前提下，線圈匝數(shù)增多，銅的損耗加大。綜合考慮各種因素，這里設計開關管的開關頻率fs=40KHz,可以求得震蕩電阻為47K，震蕩電容為1000pF。對于最大占空比，選擇Dmax=50%，而最大輸出電流Imax=1.2

32、A，k=0.05，Ui=24V，從而可以得到：L=1.31 mH[12]。</p><p>　　4.3濾波電容的計算</p><p>　　電容需要濾掉主要的開關紋波，選擇電容C足夠大，以使開關頻率時的電容值阻抗遠小于負載阻抗R，因此幾乎所有的電感電流紋波流經(jīng)電容，而流經(jīng)負載電阻阻抗R的紋波非常小，電容電流波形ic(t)等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸出濾波電容的選取決定了輸出紋

33、波電壓，紋波電壓與電容的等效的串聯(lián)電阻有關，電容的紋波電流要大于電路中的紋波電流。這里選取兩個470uf/25V的電容并聯(lián)，這樣就可以降低了等效的串聯(lián)電阻[13]。</p><p>　　4.4采樣電阻的選用</p><p>　　最后采樣電路，為了避免通電時間長，電阻會發(fā)熱，電阻的阻值會變大，引起比較大的誤差，我們選取了4個0.1歐姆/3W的電阻。兩兩串聯(lián)起來，有效的減小電阻發(fā)熱導致誤差的影

34、響。</p><p>　　5.BUCK變化器的仿真</p><p>　　5.1 元件清單及參數(shù)設置</p><p>　　打開MATLAB的仿真環(huán)境Simulink，在SimPowerSystem>Elements選擇“Series RLC Branch”阻感容串聯(lián)模塊。在Simulink模塊庫中沒有專用的電阻、電感、電容模塊它們均可以通過Series RLC

35、 Branch模塊通過參數(shù)的設置來實現(xiàn).雙擊進入設置模塊，在進行設置即可，如圖11所示。</p><p>　　圖11 阻感容串聯(lián)模塊</p><p>　　5.2 電力二極管模塊 在SimPowerSystem>Power Electronics選擇“Diode”電力二極管模塊，模塊如圖12所示，參數(shù)設置如圖13所示。</p><p>　　圖12

36、電力二極管模塊</p><p>　　圖13 電力二極管參數(shù)設置</p><p>　　在SimPowerSystem>Power Electronics選擇全控型“IGBT”模塊，模塊如圖14所示，參數(shù)設置如圖15所示。</p><p>　　圖14 IGBT器件</p><p>　　圖15 IGBT器件參數(shù)設置</p>&l

37、t;p>　　5.3 電壓電流測量模塊 </p><p>　　在SimPowerSystem>Measurements選擇“Voltage Measurement”電壓測量模塊和“Current Measurement”電流測量模塊，通過這些模塊,可以方便的與示波器模塊相連接來進行參數(shù)的測量。模塊如圖16所示。 </p><p>　　圖16 電流與電壓表</p>&

38、lt;p>　　5.4 示波器模塊 在Simulink>Sinks選擇“Scope”示波器模塊，用來與電壓和電流測量模塊配合使用，顯示測量點的電壓或電流波形?！癝cope”示波器模塊可以參數(shù)設置測量輸入端的數(shù)目，也就是說可以同時進行多路的測量，既可以是電壓，也可以是電流，仿真時可以通過雙擊示波器模塊，打開顯示波形的界面，該界面有很多按鈕，可以進行X軸和Y軸的放大顯示，方便觀察測量的波形，選擇“Parameters”

39、按鈕模塊，打開示波器的屬性設置窗口，在Number of axes中輸入需要的端口數(shù)目即可。模塊如圖17所示。 </p><p><b>　　圖17 示波器</b></p><p>　　5.5 PWM脈沖模塊 在Simulink>Sources選擇“Pulse Generator”模塊，用來模擬PWM控制電路和驅(qū)動電路，該模塊通過參數(shù)的設置，可以實現(xiàn)

40、任意周期，任意寬度，任意幅值的脈沖信號，模塊如圖18所示。參數(shù)設置如圖19所示。</p><p>　　圖18 模擬PWM控制電路</p><p>　　圖19 模擬PWM參數(shù)設置</p><p>　　5.6 仿真電路設計</p><p>　　在Simulink中選擇File>New>Model,即可創(chuàng)建以一個由工具欄和繪圖區(qū)構成的文

41、件，將選擇的各個模塊從庫中拖到新建的繪圖區(qū)，進行連線，即可完成電路圖的繪制。電路圖如圖20所示。</p><p>　　圖20 BUCK電路圖</p><p><b>　　5.7 仿真波形</b></p><p>　　設置仿真時間為1s，仿真過程中或仿真結束后，雙擊示波器模塊，即可查看各個測量點的波形，如圖21所示為占空比為50%和占空比20%的

42、波形比較圖。</p><p>　　圖21 電壓仿真對比圖</p><p><b>　　6.課程總結</b></p><p><b>　　6.1 心得體會</b></p><p>　　通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流。在設計的過程中，我們用了分工

43、與合作的方式，每個人負責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。比較選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表達能力。 在設計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學習的過程中，不是每一個問題都能自己解決，向老師請教或向同學討論是一個很好的方法。</p><p&g

44、t;<b>　　6.2設計總結</b></p><p>　　本次民用電子課程設計針對BUCK變換器進行了詳細的介紹，包括BUCK電路的工作原理分析、BUCK電路的主要參數(shù)設計、BUCK電路電路的仿真以及PWM的產(chǎn)生的仿真。通過這次的課程設計我對民用電子更加的了解了并且把理論上的知識運用到了實際生活中，查閱資料，與同學相互的交流也是一種學習的方法，增加了自己的交流的水平，也讓我學會了MATLA

45、B仿真軟件的使用和PROTEUS仿真軟件的使用，通過它來檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，讓我真正的學以致用。</p><p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京.科學出版社，2007.6. 125-133</p><p>　　[2] 周克寧.電力電子技術[M].北京.機械工業(yè)出版

46、社，2004.85-100</p><p>　　[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京. 機械工業(yè)出版社，2006. 25-33</p><p>　　[4] 丁道宏.電力電子技術[M].北京.航空工業(yè)出版社，1999. 125-133</p><p>　　[5] 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎[M].北京.清華大學出版社，1995.12-15</p&

47、gt;<p>　　[6] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京. 機械工業(yè)出版社，1992.125-133</p><p>　　[7] 廖曉鐘.電力電子技術與電氣傳動[M].北京.北京理工大學出版社，2000.24-29</p><p>　　[8] 王維平.現(xiàn)代電力電子技術及應用[M].南京.電子工業(yè)出版社，2004.33-39</p><p>　

48、　[9] 浣喜明 姚為正.電力電子技術.高等教育出版社,2000.32-41 [10] 莫正康.電力電子技術應用.機械工業(yè)出版社,2000.100-111 [11] 鄭瓊林 耿學文.電力電子電路精選.機械工業(yè)出版社,1996.243-255 [12] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真分析.清華大學出版社，2008.111-121[13] 張圣勤.MATLAB 7.0實用教程.機械工業(yè)出版社.2006.1

49、34-143</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　程序</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　/********************************************************

50、**************************/</p><p><b>　　//宏定義</b></p><p>　　/**********************************************************************************/</p><p>　　#define uchar un

51、signed char</p><p>　　/**********************************************************************************/</p><p><b>　　//管腳的定義</b></p><p>　　/*****************************

52、*****************************************************/</p><p>　　sbit PWM = P3 ^ 7;</p><p>　　/**********************************************************************************/</p><p&

53、gt;<b>　　//函數(shù)初始化</b></p><p>　　/**********************************************************************************/</p><p>　　void start(void)</p><p><b>　　{</b>

54、</p><p>　　TMOD |= 0X01;//定時器0的工作方式1</p><p>　　TH0 = (65536 - 1) / 256;//設定初值為1US</p><p>　　TL0 = (65536 - 1) % 256;</p><p>　　TR0 = 1;//打開定時器0</p><p>

55、;　　ET0 = 1;//打開定時器0中斷</p><p>　　EA = 1;//打開總中斷</p><p><b>　　PWM = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***********************************

56、***********************************************/</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　start();</b></p><p><b>　　while(1)&

57、lt;/b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**************

58、********************************************************************/</p><p>　　//定時器0的中斷函數(shù)</p><p>　　/**********************************************************************************/</p>

59、<p>　　void Timer0(void) interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar count;//記錄中斷的次數(shù)</p><p>　　TH0 = (65536 - 1) / 256;</p><p>　　TL0 = (65536 - 1)

60、 % 256;</p><p><b>　　count ++;</b></p><p>　　if(count < 13)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　PWM = 0;</b></p><p><b>

61、;　　}</b></p><p>　　if((count > 13) && (count < 27))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PWM = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p&

62、gt;　　if(count >= 27)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　count = 0;</p><p><b>　　PWM = 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b&g