課程設(shè)計(jì)---基于matlab-simulink的buck變換器的研究與設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1</b></p><p><b>　　成員分工2</b></p><p><b>　　前 言3</b></p><p><b>　　0.1概述3&l

2、t;/b></p><p>　　0.2研究的意義3</p><p>　　0.3MATLAB4</p><p><b>　　0.4致謝4</b></p><p>　　第1章 設(shè)計(jì)思路與框圖5</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)思路5</p><p>　　1

3、.2系統(tǒng)框圖5</p><p>　　第2章 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1電源設(shè)計(jì)原理6</p><p>　　2.2電路的工作原理及其波形分析6</p><p>　　2.3基本工作過(guò)程7</p><p>　　2.4δ和θ的確定7</p><p>　　2.5

4、主要的數(shù)量關(guān)系9</p><p>　　第3章 降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1降壓斬波電路主電路圖11</p><p>　　3.2電路分析11</p><p>　　3.2.1IGBT簡(jiǎn)介12</p><p>　　3.2.2工作原理12</p><p>　　

5、3.2.3控制方式13</p><p>　　3.2.4對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析13</p><p>　　第4章 PWM控制的基本原理15</p><p>　　4.1理論基礎(chǔ)15</p><p>　　4.2PWM波的分類16</p><p>　　4.3PWM控制方法16</p><

6、p>　　4.4異步調(diào)制和同步調(diào)制17</p><p>　　第5章 MATLAB仿真18</p><p>　　5.1元件清單及參數(shù)設(shè)置18</p><p>　　5.2仿真電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.3仿真波形23</p><p>　　5.4仿真分析24</p><

7、p>　　第6章 設(shè)計(jì)總結(jié)25</p><p>　　6.1設(shè)計(jì)回顧25</p><p>　　6.2心得體會(huì)25</p><p>　　6.3參考文獻(xiàn)25</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　題目：BUCK變換器的研究與設(shè)計(jì)</p>

8、<p><b>　　初始條件</b></p><p>　　輸入電壓：20~30V，輸出電壓：0-15V，輸出負(fù)載電流：0.1~1A，工作頻率：30KHz，采用降壓斬波主電路。</p><p><b>　　要求完成的主要任務(wù)</b></p><p>　　1. 直流供電電源設(shè)計(jì)。</p><p&g

9、t;　　2. 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)（包括電路結(jié)構(gòu)形式，全控型器件的選擇）并討論主電路的工作原理。</p><p>　　3. 脈寬調(diào)制電路（如SG3525集成PWM控制器）及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　4. 分析PWM控制原理及波形。</p><p>　　5. 提供電路圖紙至少一張。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印

10、，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。應(yīng)畫出單元電路圖和整體電路原理圖，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　時(shí)間安排</b></p><p>　　2012.3.26～2012.4.8 收集資料，確定設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2012.4.9～2012.5.27 系統(tǒng)設(shè)計(jì)<

11、;/p><p>　　2012.5.28～2012.6.10 撰寫課程設(shè)計(jì)論文及提交</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 </p><p><b>　　成員分工</b></p><p>　　成員分工情況如下表：</p><

12、p><b>　　前 言</b></p><p><b>　　概述</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。</p&

13、gt;<p>　　習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。</p><p>　　直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：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(yīng)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(chǔ)。</p><p>　　利用不同的基本斬波

14、電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)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(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰?lt;/p><p>　　直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動(dòng)和開關(guān)電源領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。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(diǎn)，具有良好的特性。目前已取代了原來(lái)GTR和一部分電力MOSFET的市場(chǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，成為中小功率電力電子設(shè)備

15、的主導(dǎo)器件。</p><p>　　所以，此課程設(shè)計(jì)選題為：設(shè)計(jì)使用全控型器件為IGBT的降壓斬波電路。主要討論電源電路、降壓斬波主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　研究的意義</b></p><p>　　從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開關(guān)電源的工

16、作頻率做起，但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積，卻降低了效率。發(fā)熱增多，體積縮小，難過(guò)高溫關(guān)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)MOSFET的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加。工程師們開始研究各種避開開關(guān)損耗的軟開關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在。一項(xiàng)是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項(xiàng)就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。</p><

17、;p>　　有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。第一代系美國(guó)VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專利已經(jīng)于2002年2月到期。VICOR公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒(méi)有超過(guò)90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。特別是驅(qū)動(dòng)損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，其效率

18、是無(wú)法再提高的。因此，其轉(zhuǎn)換效率始終沒(méi)有突破90%大關(guān)。</p><p>　　為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓樸的有源箝位。這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù)，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)

19、不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請(qǐng)了第三代有源箝位技術(shù)專利，并獲準(zhǔn)。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載。所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，因而它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密度。</p><p><b>

20、　　MATLAB</b></p><p>　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，本課程設(shè)計(jì)的仿真即需要在SIMULINK中來(lái)完成電路的仿真與計(jì)算。通過(guò)系統(tǒng)建模和

21、仿真，掌握和運(yùn)用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　誠(chéng)摯的感謝老師的細(xì)心指導(dǎo)，誠(chéng)摯的感謝作出努力的每一位組員，使得本學(xué)期電力電子課程設(shè)計(jì)的順利完成，使我更進(jìn)一步的明白了團(tuán)隊(duì)力量的內(nèi)涵，為以后的工作和學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，樹立了標(biāo)桿！</p><p>　　第1章 設(shè)計(jì)思路

22、與框圖</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了MATLAB 軟件及其組件之一SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。系統(tǒng)主要包括：直流穩(wěn)壓電源部分、BUCK降壓斬波主電路部分、PWM控制部分和負(fù)載。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源部分采用SIMULINK中的交流電源模塊，模擬工頻50Hz的220V

23、交流電源，經(jīng)過(guò)變壓器降壓，把220V電壓變?yōu)?0V左右的交流電，為主電路提供電源。</p><p>　　BUCK降壓斬波主電路部分拖動(dòng)帶反電動(dòng)勢(shì)的電阻負(fù)載，模擬現(xiàn)實(shí)中一般的負(fù)載，若實(shí)際負(fù)載中沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)，只需令其為零即可。</p><p>　　PWM控制部分為主電路部分提供脈沖信號(hào)，控制全控器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。</p><p>　　在SIM

24、ULINK中完成各個(gè)功能模塊的繪制后，即可進(jìn)行仿真和調(diào)試，用SIMULINK提供的示波器觀察波形，進(jìn)行相應(yīng)的電壓和電流等的計(jì)算，最后進(jìn)行總結(jié)，完成整個(gè)BUCK變換器的研究與設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 BUCK變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖</p&g

25、t;<p>　　第2章 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)</p><p><b>　　電源設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　設(shè)計(jì)電路采用的是電容濾波的單項(xiàng)不可控整流電路，小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，其原理框圖如圖2.1,波形圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.1 直流穩(wěn)壓電源原理框圖<

26、/p><p>　　圖2.2 直流穩(wěn)壓波形圖</p><p>　　電路的工作原理及其波形分析</p><p>　　a) 電路 b) 波形</p><p>　　圖2.3 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形</p><p><b>　　基本工作過(guò)程</b></p><

27、p>　　在u2正半周過(guò)零點(diǎn)至wt=0期間，因u2<ud，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)ud下降。</p><p>　　至wt=0之后，u2將要超過(guò)ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。</p><p>　　電容被充電到wt=0時(shí)，ud=u2，VD1和VD4關(guān)斷。電容開始以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。 &l

28、t;/p><p>　　當(dāng)wt=Л，即放電經(jīng)過(guò)Л-θ角時(shí)，ud降至開始充電時(shí)的初值，另一對(duì)二極管VD2和VD3導(dǎo)通，此后u2又向C充電，與u2正半周的情況一樣。</p><p><b>　　δ和θ的確定</b></p><p>　　δ指VD1和VD4導(dǎo)通的時(shí)刻與u2過(guò)零點(diǎn)相距的角度，θ指VD1和VD4的導(dǎo)通角。</p><p>

29、;　　在VD1和VD4導(dǎo)通期間</p><p>　　式中，ud(0)為VD1、VD4開始導(dǎo)通時(shí)刻直流側(cè)電壓值。</p><p>　　將u2代入并求解得：</p><p><b>　　而負(fù)載電流為：</b></p><p><b>　　于是：</b></p><p>　　則當(dāng)w

30、t=θ時(shí)，VD1和VD4關(guān)斷。將id(θ)=0代入上式得</p><p>　　二極管導(dǎo)通后u2開始向C充電時(shí)的ud與二極管關(guān)斷后C放電結(jié)束時(shí)的ud相等，故有下式成立：</p><p><b>　　因此</b></p><p>　　有上述兩式可求出δ和θ，顯然δ和θ由乘積ωRC決定。</p><p>　　圖2.4 δ、θ與

31、ωRC的關(guān)系曲線</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中為了抑制電流沖擊，常在直流側(cè)串入較小的電感。成為感容濾波的電路，如圖2.5 a所示此時(shí)輸出電壓和輸入電流的波形如圖2.5 b所示，由波形可見，ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對(duì)于電路的工作是有利的。</p><p>　　圖2.5 感容濾波的單相橋式不可控整流電路及波形</p><p><b>　

32、　主要的數(shù)量關(guān)系 </b></p><p><b>　　輸出電壓平均值</b></p><p><b>　　空載時(shí)：</b></p><p>　　重載時(shí)，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使 ,此時(shí)輸出電壓為：Ud≈1.2U2

33、 ,其中：T = 20ms 是50Hz 交流電壓的周期。</p><p>　　在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)的直流電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。</p><p>　　UI與交流電壓U2的有效值的關(guān)系為：</p><p>　　輸出電

34、流平均值IR為： IR=Ud/R </p><p><b>　　Id=IR </b></p><p>　　二極管電流iD平均值為：ID=Id/2=IR/2</p><p>　　每只二極管所承受的最大反向電壓為：</p><p>　　電源變壓器的作用是將來(lái)自電網(wǎng)的220V交流電壓U1變換為整流電路所需要的交流電壓U2。電

35、源變壓器的效率為： ，其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表2.1 所示。</p><p>　　表2.1 小型變壓器效率</p><p>　　因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。</p><p>　　電源變壓器副邊電壓u2的有效值U2；根據(jù)最大輸出電流Iomax，確定流過(guò)電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器

36、副邊的功率P2；根據(jù)P2，從表2.1 查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。</p><p>　　確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。</p><p>　　依據(jù)上述設(shè)計(jì)步驟，對(duì)本次課設(shè)的直流電源進(jìn)行設(shè)計(jì):</p><p>

37、;　　采用標(biāo)準(zhǔn)工頻50Hz的220V交流電作為直流電源電路的輸入電源,輸出電壓出要求為20—30V，輸出負(fù)載電流0.1-1A，故變壓器副邊電流： ，不妨取 ，因此，變壓器副邊輸出功率： , 由于變壓器的效率 = 0.8，所以變壓器原邊輸入功率 ，為了留有余地，選用功率為100W的變壓器。</p><p&g

38、t;　　接著選用整 流二極管和濾波電容，由于：，</p><p>　　。由于電路對(duì)紋波由要求，輸出紋波電壓：≤100mv，選定穩(wěn)壓系數(shù)，根據(jù)以及公式 ，可以求得</p><p><b>　　所以，濾波電容：</b></p><p>　　電容的耐壓要大于=42.4V，故濾波電容C取容量為470uF，耐壓為50V的電解電容

39、。</p><p>　　綜上所述,所用器件參數(shù)如下:</p><p>　　電源變壓器：變比為22:3,原邊功率選為100W,副邊功率選為75W；</p><p>　　整流二極管：反向擊穿電壓URM > 50V,額定工作電流ID=1； </p><p>　　濾波電容：容量470μF,耐壓50V</p><p>　

40、　第3章 降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)</p><p>　　降壓斬波電路主電路圖</p><p>　　圖3.1降壓斬波電路的原理圖及波形</p><p>　　a）電路圖 b）電流連續(xù)時(shí)的波形</p><p>　　c）電流斷續(xù)時(shí)的波形</p><p><b>　　電路分析</b></p>&l

41、t;p>　　直流斬波電路(即斬波器)的功能是將直流電變換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電。本課程設(shè)計(jì)使用一個(gè)全控型器件V---IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。另外設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。</p><p>　　該電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。</p>

42、<p><b>　　IGBT簡(jiǎn)介</b></p><p>　　IGBT的等效電路如圖3.2所示。由圖可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET導(dǎo)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(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。</p><p>

43、　　圖3.2 IGBT的等效電路圖</p><p>　　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;</p><p>　　——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;</p><p>　　——流過(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流;</p><p>　　——IGBT

44、的結(jié)溫。</p><p>　　如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)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(guò)集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過(guò)集電極－發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會(huì)永久性損壞。</p><p>

45、;<b>　　工作原理</b></p><p>　　t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。</p><p>　　t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。</p><p>　　基本的數(shù)量關(guān)系如下:</p>

46、;<p>　　電流連續(xù)時(shí),負(fù)載電壓的平均值為:</p><p>　　式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取?lt;/p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為:</b></p><p>　　電流斷續(xù)時(shí),負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。<

47、/p><p><b>　　控制方式</b></p><p>　　根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同,斬波電路有三種控制方式(時(shí)間比控制方式):</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。（定頻調(diào)寬控制模式）</p><p>　　頻率調(diào)制：ton不變，改變T。 （定寬調(diào)頻控制模式）&l

48、t;/p><p>　　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>　　對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析 </p><p>　　基于分時(shí)段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個(gè)過(guò)程來(lái)分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。</p><p><b>　　電流連續(xù)時(shí)</b></p><

49、p><b>　　(1)</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得： </p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　平波電抗器L為無(wú)窮大，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。</p>

50、<p>　　（3）式所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得，一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即： </p><p><b>　　則：</b></p><p>　　假設(shè)電源電流平均值為I1，則有： </p><p>　　其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得：</p><p>

51、;　　即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。</p><p><b>　　電流斷續(xù)時(shí)</b></p><p>　　有I10=0，且t=ton+tx時(shí)，i2=0，可以得出： </p><p>　　電流斷續(xù)時(shí)，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為: </p><p><b>　　輸出電

52、壓平均值為 </b></p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為 </b></p><p>　　第4章 PWM控制的基本原理</p><p><b>　　理論基礎(chǔ)</b></p><p>　　沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本

53、相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。</p><p>　　圖4.1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　分別將圖4.1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖4.2 a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖4.2 b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。

54、脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。這就是所謂的面積等效原理，是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。</p><p>　　圖4.2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形</p><p>　　將圖4.3 a所示正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值

55、不等；如果用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替由正弦半波N等分后的脈沖序列，即用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，就得到圖4.3 b所示的脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化，由面積等效原理知，PWM波和正弦半波是等效的。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形也稱為SPWM波。</p><p>　　圖4.3 用PWM波代替正弦半波</p&

56、gt;<p>　　要改變等效輸出正弦波幅值，只要按同一比例改變各脈沖寬度即可。</p><p>　　同樣，通過(guò)改變幅值或改變每個(gè)脈沖的寬度，也可以使PWM等效為方波、三角波、鋸齒波等等的任意波形。</p><p><b>　　PWM波的分類</b></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

57、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(dāng)輸入電源是交流時(shí)，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。</p><p>　　根據(jù)所控制電路的不同，PWM波又可分為電壓波和電流波。4.1節(jié)所述的就是電壓波，電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。</p><p><b>　　PWM控制方法</b

58、></p><p><b>　　計(jì)算法</b></p><p>　　根據(jù)所需波行頻率、幅值等，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。</p><p>　　缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化</p><p><b>　　調(diào)制法<

59、;/b></p><p>　　輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。</p><p>　　調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，

60、也能得到等效的PWM波。</p><p><b>　　異步調(diào)制和同步調(diào)制</b></p><p>　　載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N= fc / fr。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制：</p><p><b>　　異步調(diào)制</b></p>&

61、lt;p>　　異步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。</p><p>　　通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的。在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大。因此，

62、在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號(hào)波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。</p><p><b>　　同步調(diào)制</b></p><p>　　同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。</p><p>　　基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相，公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)

63、倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除，fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點(diǎn)，可以采用分段同步調(diào)制的方法。</p><p><b>　　分段同步調(diào)制</b></p><p>　　把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N

64、，使載波頻率不致過(guò)高，在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。</p><p>　　同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。</p><p>　　第5章 MATLAB仿真</p><p><b>　　元件清單及參數(shù)設(shè)置</b

65、></p><p><b>　　交流電源</b></p><p>　　打開MATLAB的仿真環(huán)境Simulink，在SimPowerSystem>Electrical Sources中選擇“AC Voltage Sources”交流電源模塊，用于模擬實(shí)際的交流電。Simulink中模塊如圖5.1所示，雙擊模塊，打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，這里，參數(shù)設(shè)置如圖5.2所

66、示。</p><p><b>　　反電動(dòng)勢(shì)</b></p><p>　　在SimPowerSystem>Electrical Sources選擇“DC Voltage Sources”直流電原模塊，用于模擬負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)或蓄電池時(shí)出現(xiàn)的反電勢(shì)，若負(fù)載無(wú)反電勢(shì)時(shí)只需令其為零即可，模塊如圖5.3所示。</p><p><b>　　

67、參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　Amplitude（V）：1</p><p>　　圖5.1 交流電壓模塊 圖5.3 直流電模塊</p><p>　　圖5.2 交流電參數(shù)設(shè)置 圖5.5 變壓器參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　變壓器</b&

68、gt;</p><p>　　在SimPowerSystem>Elements選擇“Linear Transformer”變壓器模塊，用于將工頻50Hz的220V較高電壓的交流電，變?yōu)檫m合整理電路用較低電壓的交流電。Linear Transformer模塊如圖5.4所示，參數(shù)設(shè)置如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.4 變壓器模塊 圖5.6 串聯(lián)RLC模塊<

69、;/p><p><b>　　串聯(lián)阻感容模塊</b></p><p>　　在SimPowerSystem>Elements選擇“Series RLC Branch”阻感容串聯(lián)模塊。在Simulink模塊庫(kù)中沒(méi)有專用的電阻、電感、電容模塊，它們均可以通過(guò)Series RLC Branch模塊通過(guò)參數(shù)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，模塊如圖5.6所示。</p><p&g

70、t;<b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p><b>　　電阻R</b></p><p>　　Branch type：R</p><p>　　Resistance（0hms）：15</p><p><b>　　電感L1</b></p><p>　　

71、Branch type：L</p><p>　　Inductance（H）：1e-10</p><p><b>　　電感L2</b></p><p>　　Branch type：L</p><p>　　Inductance（H）：2</p><p><b>　　電容C</b>

72、</p><p>　　Branch type：C</p><p>　　Capacitance（F）：470e-6</p><p><b>　　電力二極管模塊</b></p><p>　　在SimPowerSystem>Power Electronics選擇“Diode”電力二極管模塊，模塊如圖5.7所示，參數(shù)設(shè)置如

73、圖5.8所。</p><p>　　圖5.7 電力二極管模塊 圖5.9 IGBT模塊</p><p>　　圖5.8電力二極管參數(shù) 圖5.10 IGBT參數(shù)</p><p>　　全控器件IGBT模塊</p><p>　　在SimPowerSystem>Power Electron

74、ics選擇全控型“IGBT”模塊，模塊如圖5.9所示，參數(shù)設(shè)置如圖5.10所。</p><p><b>　　電壓電流測(cè)量模塊</b></p><p>　　在SimPowerSystem>Measurements選擇“Voltage Measurement”電壓測(cè)量模塊和“Current Measurement”電流測(cè)量模塊，通過(guò)這些模塊，可以方便的與示波器模塊相

75、連接來(lái)進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量。模塊如圖5.11所示。</p><p>　　圖5.11 電壓和電流測(cè)量模塊</p><p><b>　　示波器模塊</b></p><p>　　在Simulink>Sinks選擇“Scope”示波器模塊，用來(lái)與電壓和電流測(cè)量模塊配合使用，顯示測(cè)量點(diǎn)的電壓或電流波形。“Scope”示波器模塊可以參數(shù)設(shè)置測(cè)量輸入端的數(shù)目

76、，也就是說(shuō)可以同時(shí)進(jìn)行多路的測(cè)量，既可以是電壓，也可以是電流，仿真時(shí)可以通過(guò)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(jìn)行X軸和Y軸的放大顯示，方便觀察測(cè)量的波形，選擇“Parameters”按鈕模塊，打開示波器的屬性設(shè)置窗口，在Number of axes中輸入需要的端口數(shù)目即可。模塊如圖5.12所示。</p><p>　　圖5.12 示波器模塊 圖5.13 Powerg

77、ui模塊</p><p>　　Powergui模塊</p><p>　　在SimPowerSystem選擇“Powergui”模塊，模塊如圖5.13所示。</p><p>　　Powergui 是一個(gè)環(huán)境模塊，是一個(gè)接口工具，用來(lái)采集信號(hào)，連接起電路圖的各個(gè)元件，任何一個(gè)含有 SimPowerSystem 模塊的模型中必須含有一個(gè)。它儲(chǔ)存了電路模型的等效數(shù)學(xué)模型（狀

78、態(tài)空間方程）。沒(méi)有它，仿真不能啟動(dòng)，會(huì)給出一個(gè)錯(cuò)誤提示。模塊如圖5.13所示。</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，選擇Simulation and configuration option>configure parameters選項(xiàng)，彈出的“Solver”選項(xiàng)卡后進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。</p><

79、;p>　　Simulation type：Discrete</p><p>　　Sample time：1e-6</p><p><b>　　PWM脈沖模塊</b></p><p>　　在Simulink>Sources選擇“Pulse Generator”模塊，用來(lái)模擬PWM控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，該模塊通過(guò)參數(shù)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)任意周

80、期，任意寬度，任意幅值的脈沖信號(hào)，模塊如圖5.14所示。參數(shù)設(shè)置如圖5.15所示。</p><p>　　圖5.14 脈沖產(chǎn)生模塊 圖5.15 脈沖產(chǎn)生模塊參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　仿真電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在Simulink中選擇File>New>Model，即可創(chuàng)

81、建以一個(gè)由工具欄和繪圖區(qū)構(gòu)成的“*.mdl”文件，將選擇的各個(gè)模塊從庫(kù)中拖到新建的繪圖區(qū)，進(jìn)行連線，即可完成電路圖的繪制。電路圖如圖5.16所示。</p><p>　　圖5.16 仿真電路圖</p><p><b>　　仿真波形</b></p><p>　　設(shè)置仿真時(shí)間為1s，仿真過(guò)程中或仿真結(jié)束后，雙擊示波器模塊，即可查看各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的波形，如

82、圖5.17所示。</p><p>　　圖 5.17 各測(cè)量點(diǎn)的電壓和電流波形</p><p><b>　　仿真分析</b></p><p>　　由仿真輸出的波形,分析如下:</p><p>　　輸入側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)工頻50Hz的220V交流電源，變壓器變比為22:3，可知，變壓器二次側(cè)輸出為30V的交流電，由整流輸出電壓波形可以

83、看出。初期電壓峰值約為30V，波形很快趨于穩(wěn)定約為E=23V，位于20-30V之間，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　對(duì)主電路而言，輸入側(cè)即為整流輸出的E=23V直流電，由“Pulse Generator”模塊參數(shù)設(shè)置可知脈沖周期T=3.33e-5s，ton=50%T，由電流連續(xù)時(shí),負(fù)載電壓的平均值計(jì)算公式:</p><p>　　可得U0=1/2E=11.5V。由負(fù)載電壓波形可以看出，電

84、壓上升時(shí)間約為0.4s，上升到11V左右后趨于穩(wěn)定，近乎直線，與計(jì)算值接近，可見輸出波形較為理想，且位于0-15V之間，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　由變壓器二次側(cè)電流波形與圖2.3 b對(duì)比，波形基本符合。</p><p>　　由整流輸出電流波形可以看出，電流脈動(dòng)頻率很高，主要是由于IGBT全控開關(guān)管以30KHz的頻率導(dǎo)通和關(guān)閉，使得電流也隨之導(dǎo)通和關(guān)斷，從而產(chǎn)生了很高的脈動(dòng)頻率，符

85、合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　反電動(dòng)勢(shì)Em=1V，負(fù)載電阻R=15Ω，由負(fù)載電流平均值計(jì)算公式: </p><p>　　可得I0=(11.5-1)/15=0.7V。負(fù)載電流波形可以看出，電流上升時(shí)間約為0.4s，上升到0.7A后趨于穩(wěn)定，近乎直線，與計(jì)算值接近，可見輸出波形較為理想，且位于0-1A之間，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　第6章

86、 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)回顧</b></p><p>　　通過(guò)這個(gè)學(xué)期的電力電子課程設(shè)計(jì)，初步掌握了如何在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中進(jìn)行電路圖的繪制和仿真,基本學(xué)會(huì)了如何進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的設(shè)置和計(jì)算,了解了一些故障的解決辦法，為以后的工作和學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。</p><p><b>　

87、　心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)合作，我們的合作意識(shí)得到加強(qiáng)。合作能力得到提高。上大學(xué)后，很多同學(xué)都沒(méi)有過(guò)深入的交流，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們用了分工與合作的方式，每個(gè)人互責(zé)一定的部分，同時(shí)在一定的階段共同討論，以解決分工中個(gè)人不能解決的問(wèn)題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時(shí)我們還向別的同學(xué)請(qǐng)教。在此過(guò)程中，每個(gè)人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說(shuō)明自己的想法。能過(guò)比較選出最好的方案。

88、在這過(guò)程也提高了我們的表過(guò)能力。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不是每一個(gè)問(wèn)題都能自己解決，向老師請(qǐng)教或向同學(xué)討論是一個(gè)很好的方法.</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】王兆安 黃俊.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000</p><

89、;p>　　【2】浣喜明 姚為正.電力電子技術(shù).高等教育出版社，2000</p><p>　　【3】莫正康．電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　【4】鄭瓊林 耿學(xué)文.電力電子電路精選.機(jī)械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　【5】劉定建 朱丹霞.實(shí)用晶閘管電路大全.機(jī)械工業(yè)出版社，1996</p><