PAGEPAGE4/23直流斬波電路的MATLAB建模與仿真摘要:直流斬波電路包括降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，CukZetaBuckIGBTBuckMatlab關(guān)鍵詞:降壓斬波、主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。Abstract:Dcchoppingcircuitincludingstep-downchoppercircuit,boostchoppercircuit,buckchoppercircuit,Cukchoppingcircuit,SepicchoppercircuitandZetachoppercircuit.Buckstep-downchoppercircuitisdesignedinthisstudy,usingtypecontroldevice.AccordingtoBuckstep-downchoppercircuitdesigntaskrequirementdesignofmaincircuit,controlcircuit,driveandprotectioncircuit,andthroughMatlabsimulationanalysis.Keystep-downchopper,maincircuit,controlcircuit,driveandcircuit.引言：直流傳動(dòng)是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而開(kāi)關(guān)電源則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域是電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。直流斬波電路的用途非常廣泛，包括直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、開(kāi)電源，以及用于其他領(lǐng)域的直流電源。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（PWM頻率調(diào)制方式和混合型。脈寬調(diào)制方式（ PWM）較為通用。當(dāng)今世界軟開(kāi)關(guān)(Softswitching)技術(shù)使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)的變化和飛躍其廣泛的應(yīng)用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、混合能源電動(dòng)汽車(chē)等場(chǎng)合。設(shè)計(jì)目的直流斬波電路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，也稱為直流—直流變換器DC/DCConverter。直流斬波電路一般是指直接IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一IGBTIGBT是MOSFET與GTR的復(fù)合器件，它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，輸入阻抗高，又具有功率MOSFET所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBTBuck設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)Buck降壓斬波電路的主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，以及進(jìn)行Matlab仿真分析。IGBTu大小。SG3525IGBTIGBT通過(guò)對(duì)主電路的建模，進(jìn)行仿真分析。設(shè)計(jì)要求Buck1.輸入直流電壓：U=100Vd30KHz20V~80V1%最大輸出電流：5A（在額定負(fù)載下）具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流：6A具有穩(wěn)壓功能80%設(shè)計(jì)內(nèi)容Buck1控制電路SG3525驅(qū)動(dòng)電路BUCK控制電路SG3525驅(qū)動(dòng)電路BUCK主電路圖1電路框圖1IGBT產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)控制IGBT，IGBTIGBTMatlab設(shè)計(jì)方案的選定與說(shuō)明降壓斬波電路降壓斬波電路原理U ton

onEEE 0 t E on

ToffIU0EM0 R式中t 為V處于通態(tài)的時(shí)間；t 為V處于斷態(tài)的時(shí)間為開(kāi)關(guān)周期on off占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。降壓斬波電路的占空比小?。

為導(dǎo)通VLVLiRoi+EGVD uMo-Ma)a)iGtt offonOioTti1I10i2OuIt120toEOtb)ib)iGttoffOioonTttix1i2OuotIttE1202EOEtGc) M降壓斬波電路主電路設(shè)計(jì)BUCK降壓斬波主電路在電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。IGBT降壓2總是小于輸入電壓UIGBTIGBTd負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。在開(kāi)關(guān)管IGBTVD3IGBT40，I。體的分析。本文就不對(duì)其詳細(xì)討論了，取電流處于連續(xù)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖2降壓斬波主電路圖主電路元器件參數(shù)選擇主電路中有直流電源、IGBT、二極管、電感、電容、電阻等元器件需要確定參數(shù)的，其參數(shù)選擇作如下說(shuō)明：電源 因?yàn)轭}目要求輸入直流電壓為100V，所以直流穩(wěn)壓電源取100V作系統(tǒng)電源。IGBT 2IGBTIGBT5/23受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極c最大連續(xù)電流I反向擊穿電壓B >100v的IGBT但是考慮到2倍的安全裕量，cvceo則需要選擇集電極最大連續(xù)電流Ic

》10A，

vceo》200V的IGBT。二極管 當(dāng)=1時(shí)，其承受最大反壓100V；而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受大電流趨近于5A故需選擇Vc>100v,>5A的二極管但是考慮到2倍的安全裕量：需要U

=200V I =10Aminminmin電感 選擇大電感使得電路不至于斷流能夠續(xù)流此時(shí)的臨界電感為：L=U（U0

—U）/2fUI。d80V，L=80x（100—80）/2x1000x30x100x5=0.03mHL>=0.03mH，L=0.1mH。電容 選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%，也不能取的太大否則會(huì)使電路的速度變得很慢。電容的選擇：也取輸出電壓為80V時(shí)來(lái)算C=U（U0 d

—U）/8LΔU

ffUd=80x（100—80）/8x0.1mHx0.01x30Kx30Kx100=22.2uF這里取C=25uF。Rl

20V—80V5A姆定律R=U/I可得負(fù)載電阻值為最小取值在5Ω。降壓斬波電路控制電路的設(shè)計(jì)控制電路及器件選擇6/23控制方式根據(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：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ton

不變，稱為PWM。保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton

ton

和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型PWMIGBT的通斷。SG3525SG3525芯片一是款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。SG3525PWM16DIP45圖4SG3525的引腳7/23圖5內(nèi)部框圖SG3525各引腳具體功能：1：環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2：號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端之間接入信號(hào)不同的反饋網(wǎng)絡(luò)。3：外電路同步。4：振蕩器輸出端。5：振蕩器定時(shí)電容接入端。6：振蕩器定時(shí)電阻接入端。7：5回路。8：軟啟動(dòng)電容接入端。9：PWM10：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。11：A。8/2312：信號(hào)地。13：輸出級(jí)偏置電壓接入端。14：B。15：偏置電源接入端。16：基準(zhǔn)電源輸出端。SG3525芯片特點(diǎn)如下：工作電壓范圍：8-35v。5.1V振蕩器頻率工作范圍：100Hz-500kHz。具有振蕩器外部同步功能死區(qū)時(shí)間可調(diào)。內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。具有輸入欠電壓鎖定功能。PWM逐個(gè)脈沖關(guān)斷。雙路輸出（灌電流/拉電流：Ma(峰值)1114PWM67內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同SG35253)129110，1114105.4.2控制電路原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為：f1C(0.7R

3R)t t d9/23式中:C,R分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；R是與腳7相連的放t t d電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為30kHz，所以由上式可取Ct

=1μF,R=15Ω,Rt

=7.6Ω?？傻胒=30.03kHz，基本上等于實(shí)際30kHz即滿足要求。SG3525101013PWM6圖6控制電路圖驅(qū)動(dòng)電路原理與設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路IGBT但是適合本設(shè)計(jì)的要求，因此本設(shè)計(jì)采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路。10/23驅(qū)動(dòng)電路工作分析：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT電場(chǎng)而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率；(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；(5)具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。針對(duì)以上幾個(gè)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的隔離方式：IGBT經(jīng)過(guò)上文的分析采用以下驅(qū)動(dòng)電路：PWM調(diào)制IGBT柵極IGBT源極圖7驅(qū)動(dòng)電路原理圖7，IGBTIGBT12VSG35255VIGBT。并且推挽式電路簡(jiǎn)單實(shí)用，故用推挽式進(jìn)行電壓放大。IGBTVIGBT（幾千pF11/23PAGEPAGE13/23斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。保護(hù)電路原理與設(shè)計(jì)用合適的過(guò)電壓、過(guò)電流、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。引起過(guò)電壓的原因的過(guò)電壓。值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作電壓。子器件上產(chǎn)生的過(guò)電壓。電路的過(guò)電流過(guò)電壓抑制過(guò)程，可能引起電路其他部分的過(guò)電流過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)方法引起過(guò)電流的原因外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)大、交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相時(shí)引起的過(guò)電流。起的過(guò)電流配線等人為的錯(cuò)誤引起的過(guò)電流。流。過(guò)電流保護(hù)方法斷器等方法。限制電壓上升率du/dt的原因PN率du/dt管誤導(dǎo)通，所以要限制電壓上升率du/dt。產(chǎn)生電壓上升率du/dt的原因由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓由于電力電子器件換相時(shí)產(chǎn)生的du/dt限制電流上升率di/dt的原因di/dt較大，會(huì)引起門(mén)極附近過(guò)熱，造成晶閘管損壞，所以要限制電流上升率di/dt。變換器中產(chǎn)生過(guò)大的di/dt的原因1）電力電子器件從阻斷到導(dǎo)通期間，主電路電流增長(zhǎng)過(guò)快。2）交時(shí)，流過(guò)過(guò)大的附加電容的充、放電電流。3）過(guò)電壓保護(hù)電路：本次設(shè)計(jì)的電路要求輸出電壓為20V—80V，所以當(dāng)輸出電壓設(shè)定時(shí)，一旦出現(xiàn)IGBTSG352510108V106U。端串聯(lián)兩個(gè)電阻再通過(guò)在電阻中分得的電壓連入比較器的正端，與連入負(fù)端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。正常狀態(tài)下，取樣電15V，5V10，IGBT設(shè)計(jì)的過(guò)壓保護(hù)電路圖如圖8所示：取樣電壓接入SG3525的10端圖8過(guò)壓保護(hù)電路原理圖14/23過(guò)電流保護(hù)電路6A100.6V)5.1V0.6V,5VSG352510流時(shí)，轉(zhuǎn)化的電壓高于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)輸出一個(gè)高電平，芯片的10IGBT設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路如圖9所示：過(guò)接流入保護(hù) SG輸 35入 25的10端圖9過(guò)電流保護(hù)原理電路圖IGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTRCIGBTIGBT流保護(hù)。在無(wú)緩沖電路的情況下，IGBT開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，di/dt15/23du/dt很大，并出現(xiàn)很大的過(guò)電壓。在有緩沖電路的情況下；V開(kāi)通時(shí)C5通過(guò)R34Li iL向V放電，使c先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有i，c上升速度減慢；V關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流通iVDC5Vdu/dtVDR34VL11i圖11IGBT保護(hù)電路Matlab主電路的建模建模步驟如下：Buck。IGBTDBuckIGBTDCVoltagesourceBuck100V。R-CBuckLBuckIGBTR-C打開(kāi)測(cè)量模塊組，添加一電壓量裝置以測(cè)量負(fù)載電壓。PulseIGBT通過(guò)適當(dāng)連接，可以得到系統(tǒng)仿真電路，如下圖所示。16/23主電路的仿真打開(kāi)仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3，仿真開(kāi)始時(shí)間為0.0194s,停止時(shí)間為設(shè)置為20.8e-3s，仿真結(jié)果如下面情況所示。當(dāng)PWM的占空比取的是a=50%，當(dāng)一個(gè)周期T結(jié)束后，負(fù)載電壓的理論平均值tU on U0 t t on off

t onUT

U1

U

49.79,此時(shí)設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)為：L=400e-5H，R=3.8歐，C=3e-5F。輸出負(fù)載電壓波形圖為：17/23PAGEPAGE23/23V 100壓電 90807060504030201000 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1降壓斬波輸出電壓 時(shí)間/t當(dāng)PWM的占空比取的是a=25%，當(dāng)一個(gè)周期T結(jié)束后，負(fù)載電壓的理論平均值tU on U0 t t on off

t onUT

U1

25V

U

24.12,此時(shí)設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)為：L=500e-5H，R=15歐，C=4e-5F。輸出負(fù)載端電壓波形圖為：V 50壓電45500 0.02 0.04 0.06 0.08降壓斬波電路輸出電壓波形

0.1時(shí)間/t當(dāng)PWM的占空比取的是a=75%，當(dāng)一個(gè)周期T結(jié)束后，負(fù)載電壓的理論平均值ttU on U

onU

U

0 t t