《直流斩波电路的仿真分析与实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流斩波电路的仿真分析与实现.doc（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、直流斩波电路的仿真分析与实现 天 津 理 工 大 学 自动化学院课程设计报告 学生姓名 学号 届 2011级 班级 电气3班 指导教师 杜明星 专业电气工程及其自动化 1 说 明 1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。 2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。 3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。 4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍
2、行距。 5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩（30%）组成。 课程设计评语及成绩汇总表 2 课程设计任务书、指导书 .课程设计任务书 3 .课程设计指导书 4 5 6 Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计 一、降压斩波电路设计 1.设计要求与方案 1.1设计要求 利用MOSFET设计一降压变流器。输入电压E42V，输出电压Ud12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f100Hz。负载电阻为10电感2mH。 1.2设计方案 电力电子器件在实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电
3、路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能。 根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路及保护电路其结构框图如图1-1所示。 在图1-1结构框图中控制电路用来产生MOSFET降压斩波电路的控制信号控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。 7 2 降压斩波主电路设计 2.
4、1 电力MOSFET降压斩波主电路 在电力系统中直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。MOSFET降压斩波电路的主电路图如下图2-1所示。该电路使用一个全控型器件电力MOSFET，且为了给负载中的电感电流提供通道设置有续流二极管VD。电路通过在电力MOSFET管的控制端输入控制信号以得到所需要的输出电压，实现降压。 2.2 电路原理分析 直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t0时，MOSFET管被激励导通，电源E向负载供电，负载电压为Ud=E，负载电流io按指数曲线上升；当t=t1时，控制MOSFET关断，负载
5、电流经二极管VD续流，负载电压Ud近似为零负载，电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。电路工作时的波形图如图2-2所示 图2-2 电流续流时工作波形 一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均 8 值为 (1-1) U平均电流值为 （1-2） Id?dR式中T为MOSFET开关周期, Ton为导通时间 ?为占空比。 通过调节占空比?，使输出到负载的电压Ud最大为E,若减小占空比,则Ud随之减小。 根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式: (1)保持
6、开关周期T不变,调节开关导通时间 制)此种方式应用最多。 (2)保持开关导通时间 (3) tontonton ,称为脉冲宽度调制(PWM调 不变,改变开关周期T,称为频率调制。 和T都可调，改变占空比称为混合型。 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。 a) V通态期间，设负载电流为1，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为 (1-4) i1?I10e?i L(1-3) di1dt?Ri1?EM?EI10，?=L/R，解上式得： t?t?E?EM?1?e?R? b) V断态期间，设负载电流为2，可列出如下方程： (1-5) 设此阶段电流初值为
7、 (1-6) 9 iLdi2dtI20?t?Ri2?EM?0，解上式得： t?EM?1?e?R?i2?I20e? 当电流连续时，有 (1-7) (1-8) I20?i1(t1) I10?i2(t2) 即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。 由式（1-4）、式（1-6）、式（1-7）、式（1-8）得出： (1-9) I10 ?et1/?1?EEM?e?1?E ?m?R?eT/?1?RR?e?1? ?t/?(1-10) I20 ?1?e1 ?1?e?T/? ?EEM?1?e?E?m?R?RR?1?e? ?t? t1/?
8、1?；?T/?式中： m?EM；/E T? ?T? 由图1.1a可知， (1-11) I10 和 I20 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（1-9）和式（1-10）用泰勒级数近似，可得 I10?I20? ?m?E R ?Io 上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值 Io ，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 从能量传递关系出发进行的推导。由于L为无穷大，故负载电流维持为 Io 不 EIoton V变；电源只在处于通态时提供能量，为 ，在整个周期T中，负载 ?RIT?EIT?一直在消耗能量，消耗的能为 。一周期中，忽略 2 o Mo 损耗，则电源提供
9、的能量与负载消耗的能量相等，即 (1-12) EIoton?RIo2T?EMIoT 则 与式（1-11）结论一致。 10 ?E?EM I?oR 在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下， I假设电源电流平均值为1，则有 (1-14) I1?ton 其值小于等于负载电流 IoTIo?Io，由上式得 EI1?EIo (1-15) ?UoIo 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。 2.3 主要器件的选择 主电路中电源、电感及电阻的参数由设计要求给定现确定主电路中MOSFET管及电力二极管的参数： 其中MOSFET管的主要参数包括漏极电压Uds漏极直流电流
10、Id和漏极脉冲电流幅值Idm。而根据设计要求可知电源为42V直流电压源计算得,主电路平均电流 Id=Ud/R2=1.2A有效电流值 Id=2.18A 所以可选择额定电压为60V 额定电流为6A的MOSFET管。 同样对于电力二极管可选择额定电压为60V电流为6A的二极管。 3 控制电路设计 3.1 控制电路方案选择 MOSFET控制电路的功能:有给变流器的电子开关提供控制信号,以及对保护信号作出反应,关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器,在正输入端输入一个三角波,在负输入端输入一直流电平,比较后输出一方波信号,改变负输入端直流电平的大小,即可改变方波信号的脉宽。 对于控制电
11、路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。该设计中我选用PWM发生芯片TL494芯片来进行调节控制。 TL494的引脚图如图3-1所示 11 图3-1 TL494引脚结构图 3.2 控制电路原理 TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。 其内部结构图如图3-2所示 输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通即只有在锯齿
12、波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4，当输出端接地最大输出占空比为96，而输出端接参考电平时占空比为48。当把死区时间控制输入端接上固定的电压范 12 围在（03.3V）之间即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到
13、Vcc-2.0的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 控制电路如下图3-3所示 图3-3 控制电路图 13 4 驱动电路设计 4.1 驱动电路方案选择 该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁该部分，主要完成以下几个功能： 1提供适当的正向和反向输出电压使电力MOSFET管可靠的开通和关断； 2提供足够大的瞬态功率或瞬时电流
