1、本文首先比较了两种具有升降压功能的DCDC变换电路,具体地分析了两种DCDC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计),详细地阐述了该DCDC变换器控制系统的原理和实现,通过MATLAB软件中的Simulink部分建模仿真,最后给出了测试结果。关键词:直流斩波; 升降压; IGBT; 全控型目录目录11 设计任务要求21.1 设计任务 21.2 设计要求 22方案选择32.1方案一 32.2方案二 33 电路设计53.1 主电路设计 53.2 驱动电路设计 63.3保护电路 84 仿真控制95心得体会11参考文献12附录1 程序清单13附录2 元件清单14答辩记录151 设计任务要求
2、1.1 设计任务IGBT升降压斩波电路设计(纯电阻负载)设计条件:(1)输入直流电压,Ud=50V; (2)输出功率:300W (3)开关频率5KHZ (4)占空比10%-50% (5) 输出电压脉率:小于10%1.2 设计要求1,分析题目要求,提出2-3种实现方案,比较并确定主电路结构和控制结构方案;2,设计主电路原理图,触发电路原理图,并设置必要的保护电路;3,参数计算,选择主电路及保护电路元件参数4,利用仿真软件MATLAB等进行电路优化;5,最好可以建模并仿真完成相关的设计电路。2方案选择2.1方案一该DCDC变换器为前后级串联结构,前级是由1T、3T、1D、2D、L、C、1R、2R构
3、成降压变换电路,后级是由2T、2D、L、C构成升压变换电路,其中2D、L、C均出现在前、后级变电 路中。采用PWM 方式控制两个主开关管3T、2T存在一定的困难,因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地,也只能选用功率晶体管。为此增加辅助开关管1T,且3T由NPN型改为PNP型,显然1T、2T是共地的,1T、3T是同步开关的,这就实现了两路控制信号的共地。这样,原本通过控制3T、2T来控制电路的工作状态,现在是通过1T、2T来控制,1T称为降压斩波辅助开关,2T称为升压斩波主开关、3T称为降压斩波电路。其电路图如图2.1所示:图2-1原理图2.2方案二该变换器的结构是运用了全控型器件I
4、GBT,其工作原理是:当V导通时,电源E经V向L供电使其贮能,此时电流为i1 ,同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。V关断时,L的能量向负载释放, 电流为i2 ,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性 斩波电路。电路图如图2.2。(加书上原理图)图2-2原理图方案比较:方案一虽然实现了升降压,但是利用开关控制升降压的变换,而在方案二中直接采用全控型器件IGBT,利用IGBT的通断控制升降压的变换,电路比较简单,而且容易操作。因此,在设计中我们选择了方案二来实现升降压斩波控制。3 电路设计3.1 主电路设计我们最终采用的主电路图是第二种方案。图3-1 主电路 设电路中电
5、感L很大,电容C也很大,使得电感电流iL和电容电压即负载电压uO基本为恒值。 该电路的基本工作原理是: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il,同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。同时,电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。之后使得V关断,L的能量向负载释放,电流为i2,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,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uL对时间的积分为零,即 0TULdt=0 (3-1)当V处于通态期间,uL=ud;而当V处于断态期间,uL=-uo。于是: Udton=Udtoff (3-2)所以输出电压为:Uo
6、=tontoffUd=tonT-tonUd=1-Ud (3-3)当输出端电压恒定且电流连续时,电感电流连续的临界条件:Lc=R2Dc(1-Dc)2Ts (3-4)连续模式时的电容值: C=VoDcTsRUo=IoDcTsUo (3-5)其中纹波电压为U0,周期为Ts。负载电阻 R=PoUO2 (3-6)其中 Po为输出功率根据设计要求,开关频率5KHZ,则开关周期时间为0.2ms。另设电压脉率为10%,作为仿真时电感电阻取值时的依据。3.2 驱动电路设计由于IGBT是全控型器件,这给了我们利用“软件+驱动电路”的方法去实现对IGBT的开通和关断。通过对PWM信号的调制,实现对IGBT通断的控制
7、。控制框图如下:图3-2 驱动电路控制框图在这里,我利用单片机写程序输出PWM信号。这里的程序可以通过独立按键很好的调整占空比的大小。PWM控制程序如附录1所示。软件流程图如下图3-3 软件流程图51单片机作为一款简单有很廉价的控制芯片,在这里被用来作为控制PWM信号的产生和输出,我们采用了Atmel公司生产的AT89C51单片机。其工作频率为12MHZ,我们通过定时器中断的方式来输出周期为0.02ms的PWM波。图3-4 AT89C51芯片模型IGBT为电压驱动型器件,因而需要专用的混合集成驱动器,这里我们采用三菱公司生产的M57962驱动模块。其技术指标如下:特点: 单管大功率IGBT模块
8、驱动器。M57962的改进型,管脚与M57962完全兼容,缺省参数也基本相同,可以直接代换。可按默认值直接使用,也可根据需要调节保护盲区区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间。 应用:可驱动IGBT (300A/1200V或 600A/600V) 一只图3-5 M57962结构图图3-6 M57962 外部接线图考虑到单片机I/O口的输出信号电压可以达到5V,而驱动模块M57962的原端输入电压要求为5V,因此可以直接将单片机PWM输出口和M57962的信号输入端13连接。输出端5的PWM信号可以被抬升至到15V,由于IGBT的栅极-漏极开通电压为12V至18V,因此这时从M57962模块
9、输出的信号可以控制IGBT的关断。3.3保护电路 缓冲电路又称为吸收电路,其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt,减小器件的开关损耗。 关断缓冲电路:又称为du/dt抑制电路,用于吸收器件的关断过电压和换相过电压,抑制du/dt,减小关断损耗。 开通缓冲电路:又称为di/dt抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损耗。 在无缓冲电路的情况下,di/dt很大,关断时du/dt很大,并出现很高的过电压。为了防止IGBT被毁坏,我们需要在IGBT上加关断缓冲电路。缓冲电阻取10k,电容仿真取10000uF。图3-7 IGBT缓冲保护晶闸管开
10、通时的di/dt很大,我们需要加开通缓冲电路。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压,没有关断过电压问题,关断时也没有较大的du/dt,因此一般采用RC吸收电路即可。缓冲电阻取500,电容仿真取0.25uF。图3-8 二极管缓冲保护4 仿真控制通过之前电路方案的选择和元件值的计算,我们利用MATLAB软件建立了仿真模型。 图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型。 图4-1 由IGBT构成的Boost-Buck电路模型 负载输出电压仿真结果如下:图4-2(a) 占空比为50%时负载的波形此时L=1.9e-4,C=1.2e-4,R=8.33。图4-2(b) 占空比为80%时负载的波形
11、此时L=5.3e-4,C=1.2e-5,R= 133.333。图4-2(c) 占空比为20%时负载的波形此时L=0.333e-4,C=7.68e-4,R= 0.5208333。 当占空比为50%时,此时电路为临界状态,理论输出电压应该为50V, 由图6(a)看出,实际输出电压在47V到53V之间波动,输出电压脉率小于10%,因此输出电压脉率处理合理范围;当占空比为80%,此时电路为升压状态,理论输出电压应该为200V,由图6(b)看出,实际输出电压在180V到200V之间波动,输出电压脉率小于10%,因此输出电压脉率处理合理范围;当占空比为20%,此时电路为降压状态,理论输出电压应该为12.5V,由图6(b)看出,实际输出电压在12.3V到12.6V之间波动,输出电压脉率小于10%,因此输出电压脉率处理合理范围。5心得体会此次电力电子课程设计,我的任务是绘制保护电路,驱动电路以及使用MATLAB软件中的Simulink子模块建立升降压斩波电路的仿真模型。通过仿
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