升、降壓直流斬波電路及matlab仿真.docx

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目錄緒論3一.降壓斬波電路6二.直流斬波電路工作原理及輸出輸入關(guān)系12三.De/DC變換器的設(shè)計(jì)18四.測(cè)試結(jié)果19五.直流斬波電路的建模與仿真29六.課設(shè)體會(huì)與總結(jié)30七.參考文獻(xiàn)31 緒論1.電力電子技術(shù)的內(nèi)容電力電子學(xué)，又稱功率電子學(xué)(PowerElectronics)o它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。電有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之間，或?qū)νN電能的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因數(shù)等)進(jìn)行變換。變換器共有四種類型：交流-直流(AC-DC)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流-交流(DC-AC)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這是與整流相反的變換，也稱為逆變。當(dāng)輸出接電網(wǎng)時(shí)，稱之為有源逆變；當(dāng)輸出接負(fù)載時(shí)，稱之為無(wú)源逆變。交-交(AC-AC)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交-交變頻。直流-直流(DC-DC)變換，將恒定直流變成斷續(xù)脈沖輸出，以改變其平均值。 1.電力電子技術(shù)的發(fā)展在有電力電子器件以前，電能轉(zhuǎn)換是依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與這些旋轉(zhuǎn)式的交流機(jī)組比較，利用電力電子器件組成的靜止的電能變換器,具有體積小、重量輕、無(wú)機(jī)械噪聲和磨損、效率高、易于控制、響應(yīng)快及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。1957年第一只晶閘管一也稱可控硅(SCR)問(wèn)世后，因此，自20世紀(jì)60年代開(kāi)始進(jìn)入了晶閘管時(shí)代。70年代以后，出現(xiàn)了通和斷或開(kāi)和關(guān)都能控制的全控型電力電子器件(亦稱自關(guān)斷型器件)，如：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極型功率晶體管(BJT/GTR)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。控制電路經(jīng)歷了由分立元件到集成電路的發(fā)展階段?，F(xiàn)在已有專為各種控制功能設(shè)計(jì)的專用集成電路，使變換器的控制電路大為簡(jiǎn)化。微處理器和微型計(jì)算機(jī)的引入，特別是它們的位數(shù)成倍增加，運(yùn)算速度不斷提高，功能不斷完善，使控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活。各種新穎、復(fù)雜的控制策略和方案得到實(shí)現(xiàn)，并具有自診斷功能，并具有智能化的功能。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。綜上所述可以看出，微電子技術(shù)、電力電子器件和控制理論則是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力。2.電力電子技術(shù)的重要作用(1)優(yōu)化電能使用。通過(guò)電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、 軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個(gè)方面的調(diào)查,潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國(guó)發(fā)電量的16%,所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%,我國(guó)已許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項(xiàng)目。(2)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)測(cè)，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。(3)電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小兒倍、兒十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪音且具有全新的功能和用途。(4)電力電子智能化的進(jìn)展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項(xiàng)革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對(duì)象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。1.電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)要求(1)熟悉和掌握常用電力電子器件的工作機(jī)理、特性和參數(shù)，能正確選擇和使用它們。(2)熟悉和掌握各種基本變換器的工作原理，特別是各種基本電路中的電磁過(guò)程，掌握其分析方法、工作波形分析和變換器電路的初步設(shè)計(jì)計(jì)算。(3)了解各種開(kāi)關(guān)元件的控制電路、緩沖電路和保護(hù)電路。(4)了解各種變換器的特點(diǎn)、性能指標(biāo)和使用場(chǎng)合。 (5)掌握基本實(shí)驗(yàn)方法與訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能。摘要介紹了一種新穎的具有升降壓功能的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體地分析了該DC/DC變換器的設(shè)計(jì)(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲(chǔ)能電感參數(shù)設(shè)計(jì))，詳細(xì)地闡述了該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)，最后給出了測(cè)試結(jié)果關(guān)鍵詞：DC/DC變換器，降壓斬波，升壓斬波，儲(chǔ)能電感，直流開(kāi)關(guān)電源，PWM；直流脈寬調(diào)速一.降壓斬波電路1.1降壓斬波原理：.JE=LE=aE%+“丁/u0-emIo=r~式中％為V處于通態(tài)的時(shí)間；”為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；a為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比火導(dǎo)通比。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：1)保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間口不變，稱為PWM。2)保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間0”不變，改變開(kāi)關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3)心和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。 1.2工作原理1）片0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源晌負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=￡,負(fù)載電流io 按指數(shù)曲線上升2)片八時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓"0近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感/值較大?基于“分段線性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析?從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)?由于￡為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為T(mén)o不變?電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為?在整個(gè)周期珅，負(fù)載消耗的能量為(R/0T+Em/oT)一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等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該電路使用一個(gè)全控器件V,途中為IGBT,也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。為在V關(guān)斷是給負(fù)載的電桿電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一個(gè)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可以帶蓄電池負(fù)載，兩種情況句會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。在具有升降壓功能的非隔離式DC/DC變換器中，Buck-Boost變換器和Cuk變換器是負(fù)極性輸出，Sepic變換器和Zeta變換器是正極性輸出，但這兩個(gè)變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,都需要兩個(gè)儲(chǔ)能電感，這必然導(dǎo)致變換器的損耗增加、效率變低，且體積和質(zhì)量大，弓I。本文針對(duì)實(shí)際研究項(xiàng)目中提出的要求，摒棄采用上述各種變換器，設(shè)計(jì)了一種新穎的具有升降壓功能和正極性輸出的DC/DC變換器，并采用該DC/ DC變換器研制出達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的直流開(kāi)關(guān)電源，獲得了良好的應(yīng)用價(jià)值。直流系統(tǒng)調(diào)速是由功率晶閘管、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路，通常指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。機(jī)械特性上通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。PWM控制技術(shù)是一中廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域的技術(shù)，其原理是利用沖量相等而形狀相通的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)時(shí)候，效果基本相通。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性能，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門(mén)極可關(guān)斷晶體管GTO、全控電力晶體管GTR、P-MOSFET、絕緣柵晶體管IGBT)等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開(kāi)關(guān)放大器(PulseWidthModulated),已逐步發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣。調(diào)速通常通過(guò)給定環(huán)節(jié)，中間放大環(huán)節(jié)，校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能自動(dòng)校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要受到負(fù)載波動(dòng)及電源電壓波動(dòng)等外界擾動(dòng)的影響。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差，不受負(fù)載及電網(wǎng)電壓波動(dòng)等外界擾動(dòng)的影響，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速保持一致的調(diào)速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)。IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是 在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。一個(gè)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)速的給定、檢測(cè)、反饋、平波電抗器、可控整流器、放大器、直流電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)組成。這些環(huán)節(jié)都是根據(jù)用戶要求首先被選擇而確定下來(lái)的，從而構(gòu)成了系統(tǒng)的固有部分。僅有這些固有部分所組成的系統(tǒng)是難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的全面要求的，特別是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求，有時(shí)甚至是不穩(wěn)定的,為了設(shè)計(jì)一個(gè)靜態(tài)，動(dòng)態(tài)都適用的調(diào)速系統(tǒng)，尤其是達(dá)到動(dòng)態(tài)性能的要求，還必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。也就是在上述固有部分所組成的調(diào)速系統(tǒng)中另外加一個(gè)校正環(huán)節(jié),使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也能達(dá)到指標(biāo)的要求。本文中的雙閉環(huán)可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)，采用集成控制器SG3524產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，它的內(nèi)部包括誤差放大器，限流保護(hù)環(huán)節(jié)，比較器,振蕩器,觸發(fā)器,輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)，是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源控制器,輸出級(jí)是由IGBT構(gòu)成的功率控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，達(dá)到速度控制的目的。由于電路有開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)，所以直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比，在許多方面具有較大的優(yōu)越性，例如主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少，低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬，開(kāi)關(guān)頻率高,電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較少，調(diào)速裝置效率和電網(wǎng)功率因素高,系統(tǒng)的頻帶寬、快速性能好、動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)等等二.直流斬波電路工作原理及輸出輸入關(guān)系2.1升壓斬波電路(BoostChopper) 升壓斬波電路假設(shè)L和C值很大。處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定,；，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓/恒定。斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為以，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為加，則此期間電感L釋放能量為(m0-E)i/穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期7中L積蓄能量與釋放能量相等：印"“=(”0-功“化簡(jiǎn)得%=金&於=工￡fofft明———升壓比；升壓比的倒數(shù)記作￡，即夕=二￡和。的關(guān)系：a+B=l所以輸出電壓為1.1run=——E=E°p-a2.2升降壓斬波電路(buck-boostChopper)C==u 升降壓斬波電路V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為「同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電，這時(shí)乙=E。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為力。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，這時(shí)以二一%。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期7內(nèi)電感L兩端電壓均對(duì)時(shí)間的積分為零，即所以輸出電壓為:（心為V處于通態(tài)的時(shí)間，露為V處于斷態(tài)的時(shí)間）三.Dc/DC變換器的設(shè)計(jì)1.1變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1所示是設(shè)計(jì)新穎的DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該DC/DC變換器為前后級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級(jí)是由Tl、T3、DI、D、I、C、RI、R構(gòu)成降壓變換電路，后級(jí)是由T、D、I、C構(gòu)成升壓變換電路，其中Dz、I、C均出現(xiàn)在前、后級(jí)變換電路中。 圖1新穎的DC/DC變換器的原理圖從圖1中可以看出，采用PWM方式控制兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管T。、Tz存在一定的困難，因?yàn)樗鼈兊目刂贫瞬还驳?。為了?shí)現(xiàn)兩路控制信號(hào)共地，也只能選用功率晶體管。為此，在圖1所示的主變換電路中增加了輔助開(kāi)關(guān)管T1,且T。由NPN型改為PNP型，顯然T。、T是共地的，T、T3是同步開(kāi)關(guān)的，這就實(shí)現(xiàn)了兩路控制信號(hào)的共地。這樣，原本通過(guò)控制T。、To來(lái)控制電路的工作狀態(tài)，現(xiàn)在是通過(guò)T、T來(lái)控制，T。稱為降壓斬波輔助開(kāi)關(guān)，T。稱為升壓斬波主開(kāi)關(guān)、To稱為降壓斬波主開(kāi)關(guān)。工作模式的分析假設(shè)所用電力電子器件理想、電感和電容均為無(wú)損耗的理想儲(chǔ)能元件以及不計(jì)線路阻抗，且變換器始終處于電流連續(xù)的狀態(tài)。該DC/DC變換器有兩種典型的工作模式——降壓工作模式和升壓工作模式，下面分別來(lái)分析這兩種工作模式。1.2.1降壓工作模式當(dāng)T截止，T以PWM方式工作，變換器處于降壓工作模式。此時(shí)，變換器與Buck變換器相比僅僅是多了一個(gè)二極管Dz,而這一個(gè)二極管的加入對(duì)Buck變換器的工作無(wú)任何影響。因此，處于降壓工作模式的 變換器等效于Buck變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為:(1)式中：Ui——輸入電壓；Uo——輸出電壓；T的占空比。升壓工作模式當(dāng)T全導(dǎo)通，T以PWM方式工作，變換器處于升壓工作模式。此時(shí)，變換器與Boost變換器相.比多了一個(gè)全導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管T。和一個(gè)二極管D,而這兩個(gè)器件的加入對(duì)Boost變換器的工作無(wú)任何影響。因此，處于升壓工作模式的變換器等效于Boost變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為：工一(2)U,1-/?式中：Ui輸入電壓；Uo輸出電壓；p—T2的占空比。由此可見(jiàn)，該DC/DC變換器是將Buck和Boost兩個(gè)變換器串聯(lián)起來(lái),通過(guò)對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管T、To的配合控制獲得降壓工作模式和升壓工作模式，從而實(shí)現(xiàn)升降壓功能和正極性輸出。在理想情況下，變換器的電壓變換關(guān)系為：”=a當(dāng)處于降壓工作模式1u1當(dāng)處于升壓工作模式儲(chǔ)能電感參數(shù)的設(shè)計(jì)由圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，該DC/DC變換器只有一個(gè)儲(chǔ)能元件——儲(chǔ)能電感L,所以L必須能適應(yīng)降壓和升壓兩種不同的工作模式，以使變換器無(wú)論處于哪一種工作模式，L都能存儲(chǔ)足夠的能量，從而在以PWM方式工作的斬波開(kāi)關(guān)截止時(shí)能提供給負(fù)載 連續(xù)的電流。因此，L是該DC/DC變換器的關(guān)鍵元件，其參數(shù)的選取直接影響到變換器能否正常工作。考慮最典型的情況，假設(shè)輸入電壓的變化范圍為U哂?0儂,且當(dāng)時(shí)，變換器處于降壓工作模式；當(dāng)時(shí)，，變換器處于升壓工作模式。所以，根據(jù)公式(1)Ug,Uo,可以得到T1的最小占空比%小根據(jù)公式(2)、t/min和Uo,可以得到T。的最大占空比4,*。由于心而，萬(wàn)鵬分別代表了L在兩種工作模式下的極端工作狀態(tài)，因此可以通過(guò)分別計(jì)算這兩個(gè)工作狀態(tài)下的電感量，并取其中的大者作為L(zhǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，則L就能同時(shí)滿足兩種工作模式的要求，。具體設(shè)計(jì)步驟如下：(D當(dāng)處于極端降壓工作狀態(tài)：(a-a*，夕=。)時(shí)，電感量1的計(jì)算公式：h=max(%產(chǎn)?1n?7,券.(1一總)?T)⑷(2)當(dāng)處于極端升壓工作狀態(tài)：(a=1,0=心x)時(shí),電感量lz的計(jì)算公式：h=max(%=??T,叼Um.Q.7)AlAl/(5)(3)取乙、/2中的大者作為L(zhǎng)的設(shè)計(jì)電感量Z,即：I=max(Zi,Z2)(6)式中：熱——儲(chǔ)能電感電流允許的波動(dòng)峰一峰值；T-開(kāi)關(guān)周期。1.2DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)控制原理圖2所示是該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的控制 原理框圖4,其應(yīng)用背景是衛(wèi)星儲(chǔ)能/姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。控制原理是電壓給定U與電壓反饋U進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定，r與電流反饋I進(jìn)行比較，得到的電流誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出對(duì)應(yīng)PWM波的脈沖寬度,然后經(jīng)PWM控制決定分配給哪個(gè)開(kāi)關(guān)管，之后PWM波通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)DC/DC變換器中相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管工作圖2控制原理框圖以上的雙閉環(huán)控制是針對(duì)工作在PWM方式下的開(kāi)關(guān)管而言。由于變換器采用的是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的配合控制，兩種不同的工作模式就對(duì)應(yīng)兩種不同的PWM開(kāi)關(guān)方案，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制邏輯分配單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩種開(kāi)關(guān)方案，這在圖2中以PWM控制單元表示。1.2控制實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用模擬控制方案和數(shù)字控制方案，這里以模擬控制方案闡述該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。圖3控制實(shí)現(xiàn)框圖 檢控制電路由兩級(jí)PI調(diào)節(jié)器、PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、故障測(cè)與保護(hù)電路等組成。兩級(jí)PI調(diào)節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級(jí)均為帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，前級(jí)是電壓調(diào)節(jié)器，后級(jí)是電流調(diào)節(jié)器，前后級(jí)串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控制對(duì)象、輸出電流為副控制對(duì)象的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓,在輸入電壓或負(fù)載擾動(dòng)作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時(shí)跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，也易于實(shí)現(xiàn)限流和過(guò)流保護(hù)。由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸出電流。此外，電流調(diào)節(jié)器的限幅值限制了最大輸出電壓，防止了輸出電壓過(guò)高的非正常狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)的安全可靠。PWM波產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)兩種PWM開(kāi)關(guān)方案的實(shí)現(xiàn)，以滿足變換器降壓工作模式和升壓工作模式的要求。由于需要產(chǎn)生兩路控制信號(hào)，因此必須配合主變換電路進(jìn)行特殊的電路設(shè)計(jì)，以解決控制邏輯的分配問(wèn)題。如圖3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到比較器IC、IC2同相端，由一個(gè)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波送到反相端，兩路信號(hào)相比較疊加獲得PWM波。分析可知，兩種不同的PWM開(kāi)關(guān)方案可以通過(guò)對(duì)送到比較器IC、IC4反相端的三角波加上不同的偏移電壓和來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓低于5V時(shí)，比較器IC與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng)T,而比較器IC4與三角波沒(méi)有交點(diǎn)，故無(wú)脈沖輸出，T2截止；當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于5V時(shí)，比較器IC4與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng)T,而比較器IC輸出高電平，T1處于全導(dǎo)通狀態(tài)；而且,降壓工作模式和升壓工作模式的切換是平滑過(guò)渡的。這樣，就得到了邏輯上合乎要求的兩路控制信號(hào)，然后再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管T1和T2。為了提高系統(tǒng)的可靠性，還設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)與保護(hù)電路，包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。這主要利用比較器對(duì)電流、電壓、溫度等的檢測(cè)值與設(shè)定的保護(hù)值比較，一旦發(fā)生超限現(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。四.測(cè)試結(jié)果 根據(jù)上述控制原理和實(shí)現(xiàn)方案，研制出采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開(kāi)關(guān)電源(主要設(shè)計(jì)條件與要求：輸入電壓12?40V、輸出電壓28V、額定功率200W及效率285%等)。該直流開(kāi)關(guān)電源主要指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如下：(1)輸入電壓允許范圍：在輸入電壓為10?40V的范圍內(nèi)，輸出電壓保持穩(wěn)定；(2)輸出電壓：在50%負(fù)載條件下，平均輸出電壓為28.01V,輸出電壓穩(wěn)定度W0.04；(3)電壓調(diào)整率：在各種負(fù)載條件下，電源電壓調(diào)整率W0.18；(4)負(fù)載調(diào)整率：以50%負(fù)載為基準(zhǔn)，負(fù)載電壓調(diào)整率＜0.14；(5)輸出電壓紋波：當(dāng)負(fù)載電流為3.6A時(shí)，輸出電壓紋波峰一峰值(Up-p)(=250mV,如圖4(a)；(6)負(fù)載能力：當(dāng)輸出電流達(dá)到7.5A時(shí)，輸出電壓仍保持穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)功率2200w；(7)效率：采用電阻性負(fù)載時(shí)，測(cè)試效率為87%；(8)動(dòng)態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)對(duì)輸入電壓和負(fù)載的突變能及時(shí)快速地響應(yīng)，圖4(b)所示為負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。測(cè)試結(jié)果表明，該直流開(kāi)關(guān)電源具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)衛(wèi)星儲(chǔ)能/姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)研制項(xiàng)目所規(guī)定的指標(biāo)要求。結(jié)論：這里對(duì)一種新穎的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開(kāi)關(guān)電源具有以下特點(diǎn)：(1)變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有明確的工作模式，易于實(shí)現(xiàn)模擬或數(shù)字控制。(2)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度和良好的動(dòng)態(tài)性能。(3)具有升降壓功能，正極性輸出，源效應(yīng)好，能適應(yīng)大范圍的輸入電壓變化。(4)僅有一個(gè)儲(chǔ)能電感，具有可靠性高、效率高、體積小及質(zhì)量輕等特點(diǎn)。(5)功率容量500W以下，尤其適合作為衛(wèi)星儲(chǔ)能/姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)制動(dòng)再生能量回饋系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等電能變換系統(tǒng)的直流變換環(huán)節(jié)。 五.直流斬波電路的建模與仿真5.1仿真模型及參數(shù)設(shè)置⑴由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(BuckChop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置 圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，并取消緩沖電路，即Rs=5CQ,Cs=O；電壓源參數(shù)取Us=200V,E=80V；負(fù)載參數(shù)取R=10C,L=5mHo困2由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型(2)直流降壓斬波電路的仿真打開(kāi)仿真參數(shù)窗口，選擇。de23tb算法，相對(duì)誤差設(shè)置為le-03,開(kāi)始仿真時(shí)間設(shè)置為O,停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.01s,控制脈沖周期設(shè)置為0.001s(頻率為1000Hz),控制脈沖占空比為50%。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，得到圖3的仿真結(jié)果。 t/s(b)占空比為80%時(shí)領(lǐng)我電壓波形//s(c)占空比為40%時(shí)免載電壓波形圖3由IGBT組成的Buck直流變換器仿真結(jié)果由圖3可以看出，負(fù)載上電壓分別為100V,160V,80V,滿足U。=墨Ud=DUdo5.1直流升降壓斬波電路(.Boost-BuckChopper)的仿真升降壓斬波電路輸出電壓平均值為： (2)Uo=-孑Ud=-^756ZoffL—U式中：負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。當(dāng)D=0.5時(shí)，Uo=Ud；當(dāng)D>0.5時(shí)，Uo>Ud,為升壓變換；當(dāng)D<0.5時(shí)，u。