下载文档原格式
具有隔离的DC-DC 降压变换器的仿真设计1.设计要求输入电压：U IN =100±20V ； 输出电压：U O =12V ； 输出电压纹波：ΔU<70mV ； 输出功率：P O =12W ； 效率：η>78%；半载切满载，满载切半载，输出电压变化小于200mV ； 10%负载切半载，半载切10%负载，输出电压变化小于200mV ； 负载调整率小于1%； 变换器带有隔离环节；2.开环参数设计根据输入输出电压值和要求带有隔离环节，本文采用正激变换器。
为了便于仿真，本文使用线性变压器，省略原端磁复位结构。
设定变压器匝数比为4，由IN O U D N N U ⋅⋅=12，得开环占空比D=0.48。
让电路工作在电流连续模式，由公式A 1)1(2<-=D D LTU I i LC ，求出电感最小值31.2uH ，取电感值为48uH ；由公式mV 708)1(2<-=∆O O U LCT D U ，求出电容最小值为27.8uF ，取电容值为60uF 。
观察开环仿真输出，纹波峰峰值约为25mV ，小于70mV ，满足要求。
纹波波形如图所示：3.闭环系统PID 方案的参数设计和仿真闭环系统框图如下：G c(s )H (s )G m(s )G vd(s )×-+V ref Vo其中，G c (s)为控制器的传递函数，G m (s)为幅值等于1的三角波比较器传递函数，因为直接把输出电压反馈回系统，所以H (s)=1。
由于开关电源是一个线性与非线性相结合的综合系统，研究起来比较困难，本文应用状态空间平均法来对其中的buck 电路拓扑进行小信号分析，不考虑“ESR 零点”，得出buck 电路的小信号标准化模型为：LCs R sL s G vd 2/11)(++=，由此可知系统的开环传递函数为LCs R sL V N U s G RAMPINd 2/111)(++⋅⋅⋅=。
代入数据可以得到系统的开环传递函数11041088.225)(629+⨯+⨯=--s s s G d 。
龙源期刊网
降压型ＤＣ／ＤＣ变换器的仿真研究
作者：茹秋生阚子振李之繁
来源：《中国新技术新产品》2008年第22期
摘要：本文建立了一种降压型DC/DC变换器（Buck电路）的数学模型，并利用PSpice软件对这种DC/DC变换器进行仿真研究，分析其暂态和稳态的过程及形成机理。
仿真表明，当电路元件取不同参数时，输出电压就会明显不同。
仿真结果为实际电路的设计提供有益的参考。
关键词：DC-DC电压变换；仿真；输出电压
1 引言
将一种直流电压变换成另一种直流电压称为DC/DC变换。
在DC/DC转换技术中，采用直流斩波技术，广泛应用于电动汽车、地铁等交通工具中，其优点是可以获得平稳地加速、减速、快速响应和节能效果，并且可以抑制电网谐波电流。
一般的直流变换器在使用时输出纹波较大，为降低输出纹波，在输出端应接入电感、电容滤波电路。
本文介绍的是一种采用直流斩波技术的Buck变换器，该变换器是一种降压式变换器，它由功率晶体管V1、储能电感L1、二极管V2及滤波电容C1组成，如图1所示。
2Buck变换器数学模型
图1中，V2为续流二极管，降压式变换器的平均输出电压低于输入电压Ud。
通过电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
当电路工作频率较高，若电感和电容量足够大并为理想元件，电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。
晶体管V1导通时，电感中的电流呈线性上升，因而。
DCDC变换器数学模型建立与仿真软件随着电子技术的快速发展，DCDC变换器在能源转换领域的应用越来越广泛。
而为了对DCDC变换器的性能进行分析和优化，建立准确的数学模型并进行仿真是非常重要的。
本文将介绍DCDC变换器数学模型的建立以及常用的仿真软件。
一、DCDC变换器的数学模型建立DCDC变换器是一种将直流电压转换为不同电压等级的电子设备。
根据不同的电路拓扑结构，DCDC变换器可以分为多种类型，如升压变换器、降压变换器、升降压变换器等。
建立DCDC变换器的数学模型是分析其工作原理和性能的基础。
1. 拓扑结构分析DCDC变换器的数学模型首先需要根据其拓扑结构进行分析。
拓扑结构决定了电流、电压等信号的传输路径和变换关系。
常见的DCDC 变换器拓扑结构有Boost、Buck、Buck-Boost等，每种结构都具有不同的特点和工作原理。
2. 电路参数建立根据DCDC变换器的拓扑结构，进一步建立其电路参数。
电路参数包括电感、电容、开关管的导通与截止等特性。
通过实际电路的参数测量或理论分析，可以得到准确的电路参数数值，为后续的数学建模提供依据。
3. 状态方程推导根据电路的拓扑结构和电路参数，推导出DCDC变换器的状态方程。
状态方程描述了电流和电压的动态变化关系，通过求解状态方程可以得到电路的时间响应和稳态工作点信息。
4. 控制策略建立DCDC变换器通常需要控制器来实现对输出电压的调节和稳定。
因此，建立DCDC变换器的控制策略也是数学模型的一部分。
控制策略可以通过PID控制、模型预测控制等方法来实现，具体的选择需要根据系统的需求和设计目标来确定。
二、DCDC变换器仿真软件建立DCDC变换器的数学模型后，可以利用仿真软件进行仿真分析和性能评估。
下面介绍几种常见的DCDC变换器仿真软件：1. PSIMPSIM是一款专业的电源电路仿真软件，支持各种类型的DCDC变换器建模和仿真。
它可以进行稳态和动态的仿真分析，包括输出电压稳定性、效率、开关损耗等性能指标的评估。
目录绪论 (3)一．降压斩波电路 (6)二．直流斩波电路工作原理及输出输入关系 (12)三．D c／D C变换器的设计 (18)四．测试结果 (19)五．直流斩波电路的建模与仿真 (29)六．课设体会与总结 (30)七．参考文献 (31)绪论1. 电力电子技术的内容电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。
它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。
它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。
电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。
电有直流(DC)和交流(AC)两大类。
前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。
实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换。
变换器共有四种类型：交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。
直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。
这是与整流相反的变换，也称为逆变。
当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。
交-交(AC-AC)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。
其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。
直流-直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。
2. 电力电子技术的发展在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。
与这些旋转式的交流机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。
1957年第一只晶闸管—也称可控硅(SCR)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。
湖南工程学院课程设计课程名称电力电子技术课题名称Buck-Boost变化器设计专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导教师2013 年6 月28 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术课题Buck-Boost变换器设计专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2013年6 月17 日任务完成日期2013 年6 月28 日目录第一章概述 (1)第二章系统总体方案确定 (3)2.1 电路的总设计思路 (3)2.2 电路设计总框图 (3)第三章主电路设计 (5)3.1 Buck－Boost主电路的分析 (5)3.1.1 主电路原理分析 (5)3.1.2 主电路运行状态分析 (6)3.2 主电路参数的选择 (8)3.2.1 占空比α (8)3.2.2 电感L (9)3.2.3 电容C (10)第四章控制电路设计 (12)4.1 主控制芯片的详细说明 (12)4.1.1 SG3525 简介 (12)4.1.2 SG3525内部结构和工作特性 (12)4.2 控制单元电路设计 (16)4.3 检测及控制保护电路设计 (16)4.4 驱动电路设计 (17)4.5 Matalab的建模和参数设置 (18)总结 (22)参考文献 (24)附录1 (25)附录2 (26)附录3 (27)第一章概述《电力电子技术》课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。
其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。
通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。
直流斩波电路的MATLAB建模与仿真摘要：直流斩波电路包括降圧斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zetd斩波电路。
本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。
根据Buck降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，并通过Matlab仿真分析。
关键词：降压斩波、主电路、控制电路、驱动及保护电路。
Abstract *De chopping circuit including step-down chopper circuit, boost chopper circuit, buck chopper circuit, Cuk chopping circuit, Sepic chopper circuit and Zeta chopper circuit .Buck step-down chopper circuit is designed in this study, using IGBT type control device・ According to Buck step-down chopper circuit design task requirement design of main circuit, control circuit, drive and protection circuit, and through Mat lab simulation analysis・Key Words: Step-down chopper, main circuit, control circuit, drive and protection circuit・引言：直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子领域的一大热点。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
升降压（Buck-Boost）变换器仿真一、选题背景1、理解升压一降压式变换器的电路图，对电路中的元器件的作用有深刻的认识。
2、在对升压-降压(Boost-Buck)式变换器电路理论分析的基础上，建立基于Simlink 的升压一降压式变换器的仿真模型3、运用绝缘栅双极晶体管(IGBT) 对升压一降压进行控制，并对工作情况进行仿真分析与研究4、直流斩波是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。
使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，面且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。
升压-降压式变换电路即升降压斩波电路，主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。
说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求，简述本设计的指导思想。
二、原理分析(设计理念)（格式：宋体，4号，加粗，两端对齐）升降压变换器、入出极性相反原理图, 当开关闭合时，此时电感由电压励磁，电感增加的磁通为：Vi;当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：V当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，可能Vi< VO，也可能Vi>VO当可控开关V出于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1，同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。
此后，使V关断，电感1中贮存的能量向负载释放，电流为i2.稳定时, 一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，当V处于通态时,U=E，说明设计原理（理念）并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。
包括：重点说明要实现的功能及其要求、系统的安全性、数据的完整性、应用的运行环境及其性能等要求。
三、过程论述（格式：宋体，4号，加粗，两端对齐）根据升降压变换器的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如下图所示重点说明设计是如何实现的，包括：对设计工作的详细表述。
要求层次分明、表达确切。
在“SimPowerSystems/Electrical Sources”库中选择“DC Voltage Source”直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为20V。
..目录摘要............................................................................................ - 1 -设计目的..................................................................................... - 1 -设计原理.................................................................................... - 2 -一、降压斩波电路 .............................................................. - 2 -二、升压斩波电路 .............................................................. - 3 -三、升降压斩波电路........................................................... - 4 -设计过程.................................................................................... - 5 -一、仿真原理图 .................................................................. - 5 -二、仿真设计的详细过程.................................................... - 6 -结果........................................................................................... - 6 -总结........................................................................................... - 9 -心得体会................................................................................... - 10 -参考文献................................................................................... - 11 -摘要直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器。
本文先分析了降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路的工作原理，又用Matlab对升压-降压变换器进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。
应用Matlab的可视化仿真工具Simulink 建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了较详细的仿真分析。
设计目的本次设计的预期目的如下：1、理解直流斩波电路中的降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握着两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上会对直流斩波电路进行分析计算，加深对直流斩波电路的掌握及应用。
2、熟练运用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行仿真分析，认真做好每个步骤。
以提高设计建模的能力及加强对Matlab/Simulink软件的熟练程度。
3、认真分析总结仿真结果，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较，对结果进行比较分析，体会Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的使用价值。
设计原理一、降压斩波电路降压斩波（BUCK）电路的拓扑结构图如1-1 所示。
图中实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示器件关断时的续流回路。
1、t=to时s闭合，电源ui向负载供电，负载电压uo=ui。
2、t=t1时s断开，二极管D续流，负载电流下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
3、t=t2时刻，s再次闭合，重复上述过程。
由电感器件的伏秒平衡原理，可以得出在电流连续和断续两种情况下，BUCK 斩波电路的输出电压。
电感电流连续时，有化简可得：电感电流断续时，有化简可得：由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高。
二、升压斩波电路升压斩波（BOOST）电路的拓扑结构如图2-1 所示。
在图2-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回路1、假设L和C值很大。
2、s闭合时，电源ui向电感L充电，电容C向负载R供电3、s断开时，电源ui和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量由电感器件的伏秒平衡原理，可以得出在电流连续和断续两种情况下，BUCK 斩波电路的输出电压。
电感电流连续时，有化简可得：电感电流断续时，有：化简可得：由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高三、升降压斩波电路升降压斩波电路的拓扑结构如图3-1 所示。
实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回路1、s闭合时，电源ui向L供电使其贮能，C维持输出电压恒定并向负载R供电。
2、s断开时，L的能量向负载释放，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
由伏秒平衡原理可得电感电流连续和断续的输出电压，且其极性与输入相反。
电感电流连续时，有化简可得电感电流断续时，有化简可得由此可以看出，电感电流断续时，BUCK-BOOST 斩波电路的输出电压也增大。
设计过程一、仿真原理图仿真参照的原理图如下：图（1）仿真原理图上图将开关s替换成IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极性晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器性的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
故使用IGBT可以在很大程度上优化设计，减少误差，利于仿真结果的分析。
二、仿真设计的详细过程根据升降压斩波电路原理图，建立升压-降压式变换器仿真模型，如图（2）所示：图（2）仿真图由IGBT构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参数设置：（1）电压源参数取Uo=100V；（2）IGBT按默认参数设置，（3）二极管按默认参数设置；（4）负载参数取R＝50 Ω，C＝3e－06 F；（5）电感支路L＝95e-5H（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002 s；（7）控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为50％、33.3%、75%。
结果参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果。
其中，Ic为IGBT 电流，Id为二级管电流，I1为电感电流，V为负载电压，Mean为负载电压平均值。
1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的50%，仿真结果如图（3）所示图（3）脉冲为50%时仿真结果从图上直观的看出，负载上平均电压为100 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合2、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的33.3%，仿真结果如图（4）所示图（4）脉冲为33.3%时仿真结果负载上平均电压为50V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合。
3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的75%，仿真结果如图（5）所示图（5）脉冲为75%时仿真结果负载上平均电压为300 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合总结通过仿真结果可以直观的看到，在忽略误差的情况下，仿真结果与升降压斩波电路的理论分析吻合。
通过以上的仿真过程分析，还可以得到下列结论：直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，通过对占空比的调节起到控制输出电压大小的目的，此外，控制电路还完成一定的保护功能。
使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。
直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。
升降压斩波电路（Boost- Buck Chopper ）能够方便的调节输出电压，由于输出电压为： E E t T t E t t U on on off on αα-=-==10 ；若改变导通比α，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，轻松实现直流变换中的升压和降压作用，工业生产应用广泛。
利用Simulink 对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。
采用Matlab/Simulink 对直流斩波电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。
同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。
应用Matlab/Simulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况，方便学习与研究。
心得体会本次设计中我首先查阅了相关书籍、资料，对直流斩波电路有了大致的掌握，接着学习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。
通过使用Matlab 的可视化仿真工具Simulink 对升降压斩波Boost —Buck 电路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真库里的原器件，增强了画图能力，使用示波器，可以在运行方针时简明地观察到仿真结果，还可将多个结果放在一起以便对比，使我体会到了Matlab 的可视化仿真工具Simulink 的功能的齐全及使用的便捷。
