毕业设计论文-直流斩波电路的分析与仿真研究.doc
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成都理工大学工程技术学院本科毕业论文
直流斩波电路的分析与仿真研究
作者姓名：
专业名称：
电气工程及其自动化
指导教师：
摘要
直流斩波电路（DCChopper）功能是将直流电变为另一固定电压或调电压的直流电，也称为直接直流－直流变换器（DC/DCConverter）。
直流斩波电路的种类较多，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斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。
一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础，因此本文对这两种电路作了着重介绍并利用Matlab/Simulink进行了仿真。
在此基础上对其余几种电路作了简单介绍。
利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。
利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
本文对以上两种形式的电路也进行了简单的介绍和仿真。
关键词：
直流斩波分析Matlab仿真
Abstract
DCChopper（DCChopper）functionistochangeDCtoanotherfixedvoltageoradjustablevoltageDC,alsoknownasdirectDC-DCConverter（DC/DCConverter）.
ThekindsofDCchopperaremore,includingsixbasicchoppers:
BuckChopper,BoostChopper,Boost-BuckChopper,CukChopper,SepicChopperandZetaChopper,amongthemtheformertwoarethemostbasiccircuits.Ontheonehand,theapplicationsofthetwocircuitsarethemostwidely,ontheotherhand,understandingthetwocircuitsisthefoundationofunderstandingtheothercircuits,sothisthesisintroducesemphaticallythetwocircuitsandsimulatesbyMatlab/simulink.Onthebasis,therestseveralcircuitsareintroduced.
UsingdifferentbasicChoppercombinationcanformcompositeChopper,suchasCurrentReversibleChopper,BridgeTypeReversibleChopper,etc.UsingthesamestructuralbasicChoppercombinationcanformmultiphasemultipleChopper.Theabovetwokindsofcircuitsarealsointroducedandsimulated.
Keywords:
Dcchopper,analysis,Matlab,simulation
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
前言 1
1直流斩波电路的理论分析 3
1.1基本斩波电路 3
1.1.1降压斩波电路 3
1.1.2升压斩波电路 8
1.1.3升降压斩波电路和cuk斩波电路 12
1.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 15
1.2复合斩波电路和多相多重斩波电路 16
1.2.1电流可逆斩波电路 17
1.2.2桥式可逆斩波电路 18
1.2.3多重多相斩波电路 18
1.3本章小结 20
2直流斩波电路的MATLAB仿真 21
2.1Matlab简介 21
2.2降压斩波电路的仿真 24
2.3升压斩波电路的仿真研究 26
2.4升降压斩波电路的仿真 27
2.5Cuk斩波电路的防真 29
2.6三相三重斩波电路的仿真 31
2.7本章小结 32
总结 34
致谢 35
参考文献 36
III
前言
电力电子学，又称功率电子学（PowerElectronics）。
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。
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。
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。
70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：
门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。
现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。
微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。
各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。
将新的控制理论和方法应用在变换器中。
综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动力。
优化电能使用。
通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约。
例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。
改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。
据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。
电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。
实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。
能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。
有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。
1直流斩波电路的理论分析
1.1基本斩波电路
本节讲述了6种基本的斩波电路，对其中最基本的2种电路－降压斩波和升压斩波电路重点进行介绍。
1.1.1降压斩波电路
该电路使用全控型器件,若为晶闸管，须设置使晶闸管关断的辅助电路,为在关断时给负载中的电感电流提供通道,设置了续流二极管,斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中所示,若负载中无反电动势时,只需另其为0,以下的分析及表达式均可适用。
时刻驱动导通，电源向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。
时控制关断，二极管续流,负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
图1.1降压斩波电路图
图1.2降压斩波电路工作波形图
a）电流连续时b）电流断续时
电流连续时负载电压平均值
（1-1）
-通的时间;-断的时间;-开关周期；-导通占空比。
最大为E，减小占空比，则随之减小。
因此称为降压斩波电路。
负载电流平均值
（1-2）
若负载较小，则在关断后,到了时刻,如图1.1b所示,负载电流已衰减至零,会出现负载电流断续的情况,由波形可见,被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式:
（1）保持开关周期T不变,调节开关导通时间,称为脉冲宽度调制（PWM调制）此种方式应用最多。
（2）保持开关导通时间不变,改变开关周期,称为频率调制。
（3）和都可调，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）通态期间，设负载电流为，可列出如下方程：
（1-3）
设此阶段电流初值为，t=L/R，解上式得：
（1-4）
b）断态期间，设负载电流为，可列出如下方程：
（1-5）
设此阶段电流初值为，解上式得：
（1-6）
当电流连续时，有
（1-7）
（1-8）
即进入通态时的电流初值就是在断态阶段结束时的电流值，反过来，进入断态时的电流初值就是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）
（1-10）
式中：
；； 。
由图1.1a可知，和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
（1-11）
上式表示了平波电抗器为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值，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。
由于为无穷大，故负载电流维持为不变；电源只在处于通态时提供能量，为，在整个周期中，负载一直在消耗能量，消耗的能为。
一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即
（1-12）
则
（1-13）
与式（1-11）结论一致。
在上述情况中，均假设值为无穷大，负载电流平直的情况。
这种情况下，假设电源电流平均值为，则有
（1-14）
其值小于等于负载电流，由上式得
（1-15）
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。
当负载电流断续时，，且时，，利用式（1-7）和式（1-6）可求出为：
（1-16）
电流断续时，，由此得出电流断续的条件为
（1-17）
对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。
在负载电流断续工作情况下，负载电流降到零，续流二极管即关断，负载两端电压等于。
输出电压平均值为：
（1-18）
不仅和占空比有关，也和反电动势有关。
此时负载电流平均值为
（1-19）
1.1.2升压斩波电路
图1.2升压斩波电路图
该电路也是使用一个全控型器件，以下来分析电路的工作原理：
首先假设电路中的电感值很大，电容值也很大，处于通态时，电源向电感充电，电流恒定，电容向负载供电，输出电压恒定。
处于断态时，电源E和电感同时向电容充电，并向负载提供能量。
其工作的原理波形图如下所示
图1.3升压斩波电路工作波形
设通态的时间为，此阶段上积蓄的能量为：
设断态的时间为，则此期间电感释放能量为：
稳态时，一个周期中积蓄能量与释放能量相等，即
（1-20）
化简得
（1-21）
由于上式中的，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
式（1-21）中表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，调节方法与1.1.1中改变导通比的方法类似。
将升压比的倒数记作，即,则β和关系为
（1-22）
因此式（1-21）可表示为
（1-23）
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：
一是储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容可将输出电压保持住。
在以上分析中，认为处于通态期间因电容的作用使得输出电压不变，但实际上值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，输出电压必然会有所下降，故实际输出电压会略低，不过在电容足够大时，误差很小，基本可以忽略。
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载消耗，即
（1-24）
该式表明与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。
根据电路结构并结合式（1-24）得出输出电流的平均值为
（1-25）
电源电流的平均值为
（1-26）
升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正电路，三是用于其它交流电源中。
当升压斩波电路用于直流电动机传动时，通常是在直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，由于实际电路中电感值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态，由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器，此时电路及工作波形如图所示：
a）
36
t
T
E
i
O
O
i
1
i
2
I
10
I
20
I
10
t
on
t
off
u
O
t
b）
t
O
T
O
E
t
c）
u
o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
onnnnnnnn
t
off
I
20
图1.4用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
a）电路图b）电流连续时c）电流断续时
当处于通态时，设电动机电枢电流为，电机电枢回路电阻与线路电阻之和为，可以得到下式
（1-27）
设的初值为，解上式得
（1-28）
当处于断态时，设电动机电枢电流为，得下式
（1-29）
设的初始值为,解上式得
（1-30）
当电流连续时，由图1.4b的电流波形可看出，时刻，时刻，由此可得
（1-31）
（1-32）
由以上两式得
（1-33）
（1-34）
与降压斩波电路一样，把上面两用泰勒级数线近似，得
（1-35）
该式表示了为无穷大时电枢电流的平均值，即
（1-36）
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。
当电枢电流断续时的工作波形图1.7c所示：
当时刻，令式（1-31）中即可求出，进而可写出的表达式。
另外，当时，=0，可求得持续的时间，即
（1-37）
当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即
（1-38）
根据此式可对电路的工作状态做出判断。
1.1.3升降压斩波电路和cuk斩波电路
1.升降压斩波电路
图1.5升降压斩波电路图
设电路中电感值很大，电容值也很大，使电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。
导通时，电源经向供电使其贮能，此时电流为。
同时，维持输出电压恒定并向负载供电。
断开时，的能量向负载释放，电流为。
可见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。
图1.6升降压斩波电路波形
稳态时，一个周期内电感两端电压对时间的积分为零，即
（1-39）
当处于通态时，而当处于断态时，于是
（1-40）
所以输出电压为
（1-41）
可见，若改变导通比则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低，当时为降压，当时为升压，故称作升降压斩波电路。
也有称之为Boost-Buck变换器。
升降压斩波电路工作波形给出了电源电流和负载电流的波形，设两者的平均值分别为和，当电流脉动足够小时，有
（1-42）
由上式可得：
（1-43）
如果，为没有损耗的理想开关时，则
（1-44）
其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。
2.Cuk斩波电路
Cuk斩波电路的原理图和等效图如下
图1.7Cuk斩波电路及其行将电路
a）电路图b）等效电路
当通态时回路和回路有电流。
当处于断态时，回路和回路有电流。
输出电压的极性与电源电压极性相反。
电路相当于开关在A、B两点之间交替切换。
在该电路中，稳态时电容的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即
（1-45）
处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。
处于断态的时间
则电容电流和时间的乘积为。
由此可得：
（1-46）
从而可以得出：
（1-47）
可以得出输出电压与电源电压的关系为：
（1-48）
1.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
图1.8Sepic斩波电路原理图
Sepic斩波电路的基本工作原理是：
当处于通态时，和回路同时导电，和贮能。
V处于断态时，—负（和）回路及负载回路同时导电，此阶段和既向负载供电，同时也向充电（贮存的能量在V处于通态时向转移）。
Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：
（1-49）
图1.9Zeta斩波电路原理图
Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：
在处于通态期态间，电源经开关向电感贮能。
同时，和共同魔法供电，并向充电。
待关断后，L1－VD－C1构成振荡回路，的能量转移至，其贮存的能量全部转移至。
同时，向负载供电，的电流则经续流。
Zeta斩波电路的输入和输出关系为
（1-50）
两种电路相比，具有相同的输入输出关系，Sepic斩波电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入输出滤波，反之，Zeta斩波电路的输入和输出电流均是断续的。
两种电路的输出电压为正极性的。
1.2复合斩波电路和多相多重斩波电路
利用上节介绍的降压斩波电路和升压斩波电路的组合，即可构成复合斩波电路。
此外，对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路，可使斩波电路的整体性能得到提高。
1.2.1电流可逆斩波电路
斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使直流电动机既可电动运行，又能再生制动，将能量回馈电源，从电动状态到再生制动的切换可通过改变电路连接方式实现，但在要求快速响应时，就需要通过对电路本身的控制来实现。
降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限，电流可逆斩波电路是降压斩波电路与升压斩波电路组合。
此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。
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