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电力电子技术课程设计说明书
电力电子技术课程设计说明书
直流升降压斩波电路的设计
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
易俊
指导教师：
肖文英职称副教授
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气1204班
完成时间：
2015年6月
摘要
20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。
利用全控型器件可以组成变流器。
直流-直流变换器就是其中一种，它广泛应用于通信交换机、计算机以及手机等电子设备的开关电源。
直流—直流变流电路（DC-DCConverter）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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
直接直流变流电路也称斩波电路（DCChopper），它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。
直流升降压斩波电路主要分为三个部分，分别为整流电路模块，驱动电路模块，斩波电路模块。
整流电路：
是电力电子电路中出现最早的一种。
它的作用是将交流电源变为直流电输出。
斩波电路：
它的功能是将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电。
本装置应用升降压斩波电路。
通过控制占空比来实现电压的升降。
本实验装置操作简单，安全系数高。
此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
本文着重介绍直流升降压斩波电路的原理和基于MATLAB的Simulink的直流升降压斩波电路的仿真。
关键词：
直流—直流变流电路；升降压斩波；Simulink；仿真
ABSTRACT
Sincethe1980s,electronicinformationtechnologyandpowerelectronicstechnologydevelopmentonthebasisoftheirrelativecombinetoproduceagenerationofhigh-frequency,full-controlledpowerelectronicdevices,thereisatypicalrepresentativeofgateturn-offthyristors,powertransistors,Powerfieldeffecttransistorandaninsulatedgatebipolartransistor.Theuseoffull-controlleddevicemaybecomposedoftheconverter.DC-DCconverterisoneofthem,itiswidelyusedintelecommunicationsswitches,computersandmobilephonesandotherelectronicdevicesswitchingpowersupply.DC-DCconvertercircuit（DC-DCConverter）functionistodirectcurrentvoltageintoanotherfixedoradjustableDCvoltage,direct-currentconvertercircuitincludingdirectandindirectDCconvertercircuit.DirectDCconvertercircuitisalsoknownasachoppercircuit（DCChopper）;itsfunctionistodirectcurrentvoltageintoanotherfixedoradjustableDCvoltage.
DCstep-downchoppercircuitisdividedintothreeparts,namely,therectifiercircuitmodule,adrivingcircuitmodule,thechoppercircuitmodule.Rectifiercircuit:
electricityisoneofthefirstelectroniccircuitappears.ItistheroleoftheACpowerintoDCpoweroutput.Chopper:
ItsfunctionistodirectcurrentvoltageDCintoanotherfixedoradjustableDCvoltage.Thismeanstheapplicationdownchoppercircuit.Bycontrollingthedutycycletoachievevoltagesupanddown.Theexperimentaldeviceissimpletooperate,highsafetyfactor.ThisdrivesignalIGBTchoppercircuitbytheintegratedPWMcontrollerSG3525produce,becauseitissimple,reliableandeasytouseandflexible,whichgreatlysimplifiesthedesignofthepulsewidthmodulatoranddebugging.
ThisarticlefocusesontheDC-downchoppercircuitprincipleandbasedonMATLABSimulinkDCbuckconvertercircuitsimulation.
Keywords:
DC-DCconvertercircuit;Liftpressurechopper;Simulink;Simulation
目录
1绪论1
1.1电力电子技术概况1
1.2设计内容1
2升降压斩波电路主电路设计2
2.1工作原理2
2.2波形图3
2.3直流供电电路4
2.4主要器件选择4
3控制和驱动电路6
3.1IGBT驱动电路选择6
3.2SG3525的工作原理7
3.3触发电路8
4保护电路9
4.1抑制过电压的方法9
4.2抑制过电流的方法9
5仿真分析10
5.1仿真软件简介10
5.2建立仿真模型10
5.3仿真结果分析11
结束语14
参考文献15
致谢16
附录17
1绪论
1.1电力电子技术概况
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新技术。
所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技术包括信息电子技术和信息电子技术和电力电子技术两大分支。
具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
目前所用电力电子器件均由半导体制成。
电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小至数瓦甚至毫瓦级。
信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。
电力变换的技术称为变流技术。
电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC），直流变交流（DC-AC），直流变直流（DC-DC）和交流变交流（AC-AC）。
交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。
交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。
直流变直流是指一种电压（或电流）的直流变为另一种电压（或电流）的直流，可用直流斩波电路实现。
直流-直流变流电路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，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
直接直流变流电路也称斩波电路，它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，一般指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流交流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入与输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：
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。
1.2设计内容
设计一个直流升降压斩波电路，已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在100～300V连续可调，其它性能指标自定。
1.1
2升降压斩波电路主电路设计
2.1工作原理
图1所示为升降压斩波电路（Buck-BoostChopper）原理图。
电路中电感L值很大，电容C值也很大。
因为要使得电感电流和电容电压基本为恒值。
图1升降压斩波电路
该电路的基本工作原理：
当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为
，方向如图1所示。
同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。
此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为
，方向如图1所示。
可见，负载电压极性为下正上负，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。
稳态时，一个周期T内电感L两端电压
对时间的积分为零，即：
（1）
当V处于通态期间时，
=E，而当V处于断态期间时，
=-
。
于是
所以输出电压为：
（2）
为V处于通态的时间，
为V处于断态的时间。
T为开关周期；
为导通占空比，简称占空比或导通比。
若改变导通比
，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当
时为降压，
当
时为升压，
因此该电路称为升降压斩波电路。
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：
1、保持开关周期T不变，调节开关导通时间
不变，称为PWM。
2、保持开关导通时间
不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3、
和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
2.2波形图
输出电压
图2.4给出了电源电流
和负载电流
的波形，设两者的平均值分别为
、
，当电流脉动足够小时，有
由上式可得
如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则有
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
图2升降压斩波电路波形
2.3直流供电电路
图3直流电源
整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用最为广泛的电路。
不仅应用于工业，也广泛应用于交通运输，电力系统，通信系统，能源系统等其他领域。
本实验装置采用单相桥式全控整流电路（所接负载为纯电阻负载）。
负载平均电压
升高，纹波减小，且
C越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为得到平滑的负载电压，一般取
式中T为电源交流电压的周期。
电容滤波电路的负载电压
与
的关系为
。
令整流后输出电压为200V，则整流前输入电压
=
/1.2=200/1.2=166.7V
因为电源为交流单项220V，变压器变比需满足
：
=220:
166.7=1:
1
此时前级整流输出电压E为200V。
并且为满足输出电流
最大2A，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为，
=
/2=1A。
变压器二次侧的电流2A，由变压器变比为1:
1，流过一次侧的电流为2A。
2.4主要器件选择
要求输入直流电压E=200V，输出直流电压
在100～300V可调，由输出电压公式
可知，当
为100V时，占空比
=1/3；当
为300V时，占空比
=3/5。
即控制占空比
在1/3～3/5之间，可得输出直流电压
在100～300V可调。
根据之前电路分析，电感应为无穷大，故取L=10H。
为了维持输出电压基本恒定，电容取C=0.1F。
对于IGBT，由于变压器二次侧的电压为200V,电流为2A,故IGBT所承受的最大电压为200V，最大电流为2A。
由于IGBT很容易过电损坏，选择器件应留足两倍的裕量，则选择IGBT的额定电压为400V,额定电流为4A,由此可选的型号为IRG4PC-40U。
续流二极管承受的最大电压和电流与IGBT相同，也采用相同的方式来整定器件参数，即其额定电压也与IGBT相同，由此可选得型号为1N4007。
为使电路正常工作驱动电路中R1、R2为1K
，R3为5.1KΩ，R4为10KΩ，电位器R0为0～10KΩ，R5为10KΩ。
要求最大输出电流为2A，故负载功率范围为20～200W，流过VT二极管、V三极管的最大电流为2A。
熔断器的最大熔断电流为2A。
可选WICKMANN1812A陶瓷管保险丝。
整流电路中二极管选择为IN5232，驱动电路中二极管选择为IN4148，驱动电路中C1为0.01μF
3控制和驱动电路
3.1IGBT驱动电路选择
IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。
门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。
其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。
同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。
根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：
（1）由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。
（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。
（3）门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。
（4）IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。
RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。
（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。
IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。
IGBT驱动电路分类驱动电路分为：
分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。
本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。
IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展（包括处理器、系统结构和存储器件），数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域
得到了广泛的应用。
一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。
而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。
因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。
3.2SG3525的工作原理
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动功能；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。
其特点如下：
（1）工作电压范围宽：
8—35V。
（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。
（3）振荡器工作频率范围宽：
100Hz—400KHz.
（4）具有振荡器外部同步功能。
（5）死区时间可调。
（6）内置软启动电路。
（7）具有输入欠电压锁定功能。
（8）具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。
（9）逐个脉冲关断。
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：
mA（峰值）。
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。
SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。
在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。
SG3525内部结构如图3所示，直流电源
从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。
振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。
振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
其他引脚分别为：
引脚1为反相输入，2为同相输入引脚，3为同步端引脚，4为振荡器输出引脚，7为放电端引脚，8为软启动端引脚，9为补偿引脚，10为闭锁控制引脚，引脚12接地。
内部结构如下：
图4控制和驱动电路
3.3触发电路
斩波电路有三种控制方式：
（1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型：
（2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；
（3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。
其中第一种是最常用的方法。
PWM控制信号的产生方法有很多。
这里我使用的是IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。
SG3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。
另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。
因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离。
4保护电路
电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必须的。
4.1抑制过电压的方法
用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。
所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。
使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。
由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。
保护电路如图所示。
图5过电压保护电路
4.2抑制过电流的方法
常见的过电流保护有：
快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
因此，最佳方案是用快速熔断器保护。
图6快速熔断器
5仿真分析
5.1仿真软件简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和Simulink综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
应用Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况,适合电力电子技术的学习和研究工作。
5.2建立仿真模型
在电力电子设计过程中利用MATLAB来进行仿真建模分析有很大的好处，它不但非常方便而且能够在很大程度范围内减少因设计问题而造成的浪费。
仿真模型以及相关参数匹配结合IGBT直流降压电路建模以及参数设置条件进行科学分析，有关直流变换器仿真模型与默认参数设置条件已经齐全，为了迎接缓冲电路的消极化影响挑战，在设计仿真操作流程中主要遵循以下细化工序要求：
将参数调试界面打开，选取固定算法之后设置相对误差标准，直接点击进入仿真模拟流程，其中各类脉冲周期统一稳定在0.001s左右，有关后期的仿真控制结果要做到精准提取；可在固定窗口位置建立全新模型结构，并将工具箱电力模块与IGBT模块等资源依次打开，按照默认值要求实施必要参数规划，同时将内部缓冲电路取消；之后将电源模块打开，将必要直流电压模块灌输并打开参数设置条框，将电压源设置为200V；后续可将必要部件与接地模块组打开，并直接复制串联样式的规划窗口，将内部电阻设置为10Ω；透过MATLAB输入源模块，同时在buck窗口环境中复制脉冲发生器模型，必要时可实现输出结果与IGBT门极的匹配目标。
仿真电路图如下所示：
图7仿真电路图
5.3仿真结果分析
（1）当占空比K=50%时，如果输入电压E=100V，则
=0.5×100÷（1-0.5）=100V，这时输出电压等于输入电压，是等压式变换，如图8所示
图8仿真波形图1
（2）当占空比
=70%时，如果输入电压E=100V，则
=0.7×100÷（1-0.7）=700/3V=233V，这时输出电压高于输入电压，是升压式变换，如图9所示。
图9仿真波形图2
（3）当占空比
=30%时，如果输入电压E=
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