《Sepic电路课程设计说明书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Sepic电路课程设计说明书.doc（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程设计说明书课程名称： 电力电子课程设计 设计题目： Sepic电路的建模与仿真 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2009级电气（4）班 学 号： 200930213291 姓 名： 禤培正 指导教师： 郭红霞 华南理工大学电力学院2013 年 1 月课程设计任务书1 题目Sepic电路建模、仿真2 任务建立Sepic电路的方程，编写算法程序，进行仿真，对仿真结果进行分析，合理选取电路中的各元件参数。3 要求课程设计说明书采用A4纸打印，装订成本；内容包括建立方程、编写程序、仿真结果分析、生成曲线、电路参数分析、选定。 V1=2040V V2=26VI0=0 1AF=50kHZ指导教
2、师评语： 指导教师： 2013年 月 日目录1 Sepic电路分析11.1 Sepic电路简介11.2 原理分析11.3 电力运行状态分析22 Sepic电路各元件的参数选择72.1 Sepic电路参数初值72.2 电路各元件的参数确定73 控制策略的设定114 Matlab编程仿真124.1根据状态方程编写Matlab子程序124.2 求解算法的基本思路134.3 Matlab求解Sepic电路主程序155 通过分析仿真结果合理选取电路参数L1，L2，C1，C2185.1参数L1的确定185.2参数L2的确定205.3参数C1的确定215.4参数C2的确定225.5 采用校核后的参数仿真24
3、6 采用Matlab分析Sepic斩波电路的性能246.1 计算电感L2的电流IL2出现断续的次数246.2 纹波系数的计算256.3 电压调整率256.4 负载调整率266.5 电路的扰动分析277 参考文献301 Sepic电路分析1.1 Sepic电路简介 Sepic斩波电路是开关电源六种基本DC/DC变换拓扑之一，是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC/DC斩波电路。其输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。SEPIC变换器是一种四阶非线性系统, 因具有可升降压、同极性输出、输入电流脉动小、输出易于扩展等特点, 而广泛应用于升降压型直流变换电路和功率因数校正电路
4、。这种电路最大的好处是输入输出同极性。尤其适合于电池供电的应用场合，允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。比如一块锂电池的电压为3V 4.2V，如果负载需要3.3V，那么Sepic电路可以实现这种转换。另外一个好处是输入输出的隔离，通过主回路上的电容C1实现。同时具备完全关断功能，当开关管关闭时，输出电压为0V。1.2 原理分析Sepic斩波电路的原理图如图1所示。由可控开关Q、储能电感L1、L2二极管D、储能电容C1、滤波电容C2、负载电阻R和控制电路等组成。图1、Sepic斩波电路的原理图Sepic斩波电路的基本工作原理是：当开关管Q受控制电路的脉冲信号触发而导通时，V1L1Q回路C1
5、QL2回路同时导通，L1和L2储能。V处于断态时，V1L1C1D负载（C2和R）回路及L2D负载回路同时导通，此阶段V1和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1储存的能量在Q处于通态时向L2转移。Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出： （1） 图2、SPEIC的开关波形（VQ1Q1漏源电压）1.3 电力运行状态分析对于理想情况下的电路分析，储能电感L1、L2足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流IL可近似认为是线性的。电容C1、C2也足够大，能够维持两端电压恒定。此外，开关管Q及二极管都具有理想的开关特性。分析电路图可以得到：1.3.1 Q开通时电路运行分析MOSFET
6、开通时的等效电路如图2所示：图3、Q开通时的等效电路图Q开通时，输入电源V1对L1充电，储能电容C1对L2充电，电容C2维持着负载R的两端电压。此时有 （2）1.3.2 Q关断时电路运行分析 MOSFET关断时的等效电路如图2所示：图4、Q关断时的等效电路图Q关断后，充在电感L1上的电荷对电容C1放电，充在电感L2上的电荷通过二极管D对负载放电。此时有 （3）1.3.3 输入直流电压V1和输出直流电压V2的关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压UL对时间的积分为零，即 （4） 当Q处于通态时，电感L1、L2两端的电压分别为、，当Q处于关断时，电感L1、L2两端的电压分别为、。将数据代入式4得：
7、 （5）求解得： （6）稳态时，电容C的电流在一个周期T内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即 （7）当Q处于通态时，流过电容C1、C2的电流分别为、，当Q处于关断时，流过电容C1、C2的电流分别为、。将数据代入式7得： （8）求解得： （9）由式6知，所以可通过控制占空比的大小来控制输出电压V2的大小。即当tontoff时，0.5， V2toff时，0.5， V2V1，电路属于升压式。1.3.4 电路的状态方程由图2、3可知，等效电路与开关Q的状态有关，所以Sepic斩波电路可分为Q通态和Q断态两个状态来分析。1）当Q处于通态，系统的微分方程组如下所示 （10）2）当Q处于断态，系统
8、的微分方程组如下所示 （11）3）当Q处于断态时，充在电感L1上的电荷对电容C1放电，充在电感L2上的电荷通过二极管D对负载放电，即此过程有可能会出现电感电流的断续。由于电感L1直接与电源相连，故一般来说L1的电流不会出现断续现象，下面主要讨论电感L2出现断续后，微分方程组的变化。电感L2断续后，即，此时微分方程组如下所示： （12）设，将其代入式10、11，合并后如下：（13）其中，u=1表示Q处于导通状态，u=0表示Q处于关断状态。此外，u=0同时令，即表示Q关断时电感L2的电流出现断续时的状态。2 Sepic电路各元件的参数选择2.1 Sepic电路参数初值 题目中给定，输入电压V1=2
9、040V，输出电压V2=26V，负载电流I0=0 1A，开关管Q的控制端的信号频率F=50kHZ，即周期T=2*10-5s。为了简化电路计算，更好地描述电路运行状态，现作如下假设：（1）电源电压为40V时为最差状态。（2）电路能达到满载电流1A。（3）忽略开关管的正向导通压降和二极管的正向压降。（4）忽略线路电阻和电磁振荡所造成的能量损耗。2.2 电路各元件的参数确定2.2.1 负载电阻RL的确定负载电阻RL按式14确定 （14） 求得负载电阻RL=26.2.2.2 电感L1、L2的确定SPEIC使用两个电感L1和L2，这两个电感可以绕在同一个磁芯上，因为在整个开关周期内加在它们上面的电压是一
10、样的。使用耦合电感比起使用两个独立的电感可以节省PCB的空间并且可以降低成本。确定电感的一个好规则就是，在最小输入电压下，使得纹波电流峰峰值大约等于最大输入电流的40%。在数值相同的电感L1和L2中流动的纹波电流由下面公式算出:电感由15式求得 （15）f为开关频率，max是最小Vin时的占空比。维持电感发挥作用的电感峰值电流还没有饱和，可由下式计算如果L1和L2绕在同一个磁芯上，因为互感作用上式中的电感值就可用2L代替。电感值可这样计算 2.2.3 储能电容C1的确定储能电容C1的选择主要看RMS电流（有效电流），可由下式得出SEPIC电容必须能够承受跟输出功率有关的有效电流。这种特性使SE
11、PIC特别适用于流过电容的有效电流（跟电容技术有关）相对较小的小功率应用。SEPIC电容的电压额定值必须大于最大输入电压。C1的纹波电压的峰峰值可以这样计算 （16）取=0.4V得=28.261uF。满足需要的有效电流的电容在C1上一般不会产生太大的纹波电压，因此峰值电压通常接近输入电压。2.2.4 滤波电容C2的确定在SEPIC中，当电源开关Q1打开时，电感充电，输出电流由输出电容提供。因此输出电容会出现很大的纹波电流。选定的输出电容必须能够提供最大的有效电流。输出电容上的有效电流是图5、输出纹波电压ESR、ESL和大容量的输出电容直接控制输出纹波。如图4所示，假设一半纹波跟ESR有关，另外
12、一半跟容量有关，因此 (17)输出电容必须满足有效电流、ESR和容量的需求。取纹波电压为2%的输出电压2.2.5输出二极体的选择选择能够承受峰值电流和反向电压的二极体。在SPEIC中，二极体的峰值电流跟开关的峰值电流IQ1peak相同。二极体必须承受的最小反向峰值电压是VRD1=Vin+Vout=66V （18）跟升压转换器相似，二极体的平均电流跟输出电流相同。二极体的功耗等于输出电流乘以二极体的正向压降。为了提高效率建议使用肖特基二极体。2.2.6功率MOSFET的选择最小阈值电压Vth（min）、导通电阻RDS(ON)、栅漏电荷QGD和最大漏源电压VDS（max）是选择MOSFET的关键参数。逻辑电平或子逻辑电平阈值MOSFET应该根据栅极电压使用。峰值开关电压等于VinVout。峰值开关电流由下式计算
