20V_500W直流降压斩波实验报告

1、电气工程学院2010级电力电子与电力传动实训报告项目名称： 20V/500W直流降压斩波实验 项目负责人： 林静英 项目成员： 娄博强 胡远江 负责老师： 郭育华 卢国涛 指导老师： 郭育华 2013年 11月 20 日项目成绩：评阅人：指导老师： 年 月 日项目负责人：姓名 林静英 学号20102647 项目成员：姓名 娄博强 学号20100098项目成员：姓名 胡远江 学号20102656摘要本项目完成了20V/500W直流降压（Buck电路）斩波实验中电压的开环和闭环控制实验。实验项目初始阶段主要进行Buck降压电路方案的理论研究以及电路初始设计。接着利用Matlab/Simulink仿

2、真软件进行仿真，通过对电路参数多次的调整和修正，最后得到符合要求的仿真波形。完成仿真设计后经预约进入实验室，对电路设计进行实物验证。在实验台进行电路实物连接，并不断调试，最终得到电压开环和闭环控制较为稳定的输出。最后测量所需的实验数据，并记录相应的实验波形。第1章 实验目标BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PI控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PI控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUC

3、K电路闭环PI控制系统，即当负载大小变化和输入电压产生较大波动时，依旧能够保持负载两端的电压稳定。通常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。1.1指标本实验中，输入电压：DC100V，电压波动15%；输出电压：DC35.22V、DC19.22V；输出功率：500W；恒压精度：优于5%；电压调整率：优于5%；分别采用开环和电压闭环来实现。第2章 实验主电路设计2.1方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电路和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力电子

4、器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据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，设计出降压斩波电路的结构框图如图2-1所示。 图2-1 Buck斩波电路结构框图在图2-1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路中的控制信号，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开关控制端，可以使其开通或关断。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。2.2主电路设计方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩

5、波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的Buck降压电路作为主电路，这个方案较为简单，直接进行直直变换。Buck降压电路如图2-2所示：图2-2 Buck降压电路2.3工作原理直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT作为开关管，用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图2-3所示 图2-3 Buck降压电路波形图工作状态1（0t1时段）：开关S处于t0时刻接通，并保持通态到t1时刻，在这一阶段，电感点段的电压UL=Ui-Uo，由于U

6、iUo，故电感L的电流不断增长。二极管处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感两端的电压UL=-Uo，电感通过D徐留，电感电流不断减小。直到t2时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。根据上面的分析可得出电感两端的电压平均值为 (2-1)式中，UL为电感两端的电压在一个开关周期内的平均值；TS为开关周期，TS=ton+toff；ton为开关处于通态的时间。根据稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理，在电感电流连续的条件下，可以推导出降压型直直变换器电路的输出、输入电压比与开关通、断时间比间的关系。令 =0 （2-2）有 （2-3）式中，

7、D为占空比，定义为开关到同时间与开关周期的比，即D=ton/TS。由于，因此，降压型电路的输出电压不可能高于其输入电压，且与输入电压极性相同。2.4参数选择考虑到实验安全性的原则加上现已有实验设备各元件参数，结合电路需要进行各元件参数选择。2.4.1电源电压源：100伏。由于实验室没有可以直接使用的直流电压源，故从组合电力电子与电力传动实验台的三相整流变压器输出先接PESX-03单相/三相整流桥的三相交流输入。三相整流桥输出并联电解电容后作为直流斩波器的直流输入电源。然后按照降压斩波电路接电路。2.4.2开关电子开关：选用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为开关。因IGBT综合了双极性GTR导通

8、压降低、阻断电压高、电流容量大以及单极性PMOSFET驱动功率小、开关频率高、热稳定好的优点，目前已广泛应用于500kw以下的中等功率变换器，如逆变器、高频整流器、直流稳压电源以及UPS系统中。IGBT的单管容量可达400A-600A/1200V-1800V，开关频率可达20KHz，通态压降可降至1.5V。大容量、高频化是IGBT发展的主要方向。所以本文中逆变器所选用的开关为IGBT。此外因实验室没有单独的IGBT开关管，故从PESX02三相逆变桥中取一个管子作为开关管使用。2.4.3二极管续流二极管：选用快速恢复二极管。2.4.4电感及电容 本实验中，电感和电容共同构建成LC滤波电路，考虑到

9、开关管频率的因素，故选择其参数值为：电感（6mH）；电容（560F）。2.4.5负载本实验中设定负载为60欧姆，直接采用实验室的负载箱作为负载。第3章 实验的控制电路设计本章将对实验的控制电路方案、工作原理和参数选择进行全面介绍。3.1控制电路方案控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1. 脉冲宽度调制：保持开关周期T不变，调节开关导通时间；2. 频率调制或调频型：保持导通时间不变，改变开关周期T；3. 混合型：导通时间和周期T都可调。斩波电路有这三种控制方式，而PWM控制技术应用最为广泛

10、，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于控制电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。因要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，我们选用了SG3525芯片，其引脚图如图3.1所示，它是一

11、款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。图3-1 SG3525引脚图其SG3525的11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，1

12、1和14脚的电压变为10输出。SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减

13、小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比。3.2控制电路工作原理预设电压与通过电压传感器传回负载两端的电压Uo做比较，差值通过PI调节后进行限幅，送入比较器与方波进行比较。从比较器输出比较结果的PWM波（A处）送入IGBT驱动电路，驱动IGBT导通、关断。当负载两端的电压高于预设电压时，得到一个负电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期不变，占空比减小的PWM信号。根据公式2-2，可知，Uo将降低。当负载两端的电压低于预设电压时，得到一个正电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期

14、不变，占空比变大的PWM信号。根据公式2-2，可知，Uo将升高。由上可得，通过反馈控制电路自动工作，负载电压将稳定在预设电压附近，从而保证输入电压和负载变化的情况下，输出电压的稳定。第4章 系统仿真为了验证实验电路和控制电路的正确性，仿真是必不可少的工具。此外仿真还可以对输入输出关系、恒压精度、负载调整率、电压调整率等与项目相关的技术指标进行验证并获得理想值。在本实验项目中，采用Matlab对直流降压斩波电路首先进行开环仿真验证。再引入PI 控制器进行闭环控制仿真，并验证电路指标。4.1开环控制按照第二章叙述的主电路设计方案以及参数选取，在Matlab软件中搭建直流降压斩波Buck电路的开环控

15、制系统如图4-1所示。其中直流电压数值、占空比设定、电容、电感、负载值均在图4-1中标示。4.1.1仿真参数一输入电压100V，触发信号周期88us（占空比为35.22%），电感9mH， 电容560pF时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-1-1所示。图4-1 Buck电路开环控制图4-1-1 仿真参数一时各参数波形 对上图数据进行分析，输入电压100V，在占空比为35.22%时，输出电压为34.2V，与理论值35.22V的误差为2.89%，符合5%误差标准。输出电压波动为1.17%，符合5%误差标准。输出功率为508W，误差约为1.6%。4.1.2仿真参数二输入电压100V，

16、触发信号周期88us（占空比为19.32%），电感9mH， 电容560pF，负载0.82Ohms时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-1-2所示。图4-1-2仿真参数二时各参数波形对上图数据进行分析，输入电压100V，在占空比为19.32%时，输出电压为20.5V，与理论值19.32V的误差为4.1%，符合5%误差标准。输出电压波动为1.5%，符合5%误差标准。输出功率为475W，误差约为5%。4.2闭环控制在Matlab软件中搭建直流降压斩波Buck电路的闭环控制系统如图4-2所示。其中直流电压数值、占空比设定、电容、电感、负载值均在图4-2中标示。图4-2 Buck电路闭环

17、控制4.2.1仿真参数一输入电压30V，参考电压20V，触发信号周期88us，电感6mH， 电容560pF，负载1欧姆时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-2-1所示。图4-2-1仿真参数一时各参数波形4.2.2仿真参数二输入电压30V，参考电压20V，触发信号周期88us，电感6mH，电容560pF，负载60欧姆时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-2-2所示。4.2.3仿真参数三输入电压200V，参考电压20V，触发信号周期88us，电感6mH， 电容560pF，负载1欧姆时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-2-3所示。4.2.4仿真参数四

18、输入电压200V，参考电压20V，触发信号周期88us，电感6mH， 电容560pF，负载60欧姆时的输出电压、触发信号、电感电流、输出电压波形如图4-2-4所示。图4-2-2仿真参数二时各参数波形图4-2-3仿真参数三时各参数波形图4-2-4仿真参数四时各参数波形 闭环控制所得波形与开环波形对比可知:加入PI调节器后系统的动静态特性得到了明显的改善，输出带负载能力较强，输出较为稳定。开环的系统由于阻尼系数比较小，所以出现了震荡环节，而校正后的闭环曲线在很短的时间内就能达到稳定，即系统的快速性比较好。第5章 实验分析5.1实验接线5.1.1非隔离型直流斩波主电路连线PESX-03单相/三相整流

19、桥三相交流输入从组合电力电子与电力传动实验台的三相整流变压器输出接入。三相整流桥输出并联电解电容后作为直流斩波器的直流输入电源。然后按照降压/升压斩波电路接电路。负载侧并联滤波电解电容，负载可以选用灯箱或者他励直流电机。5.1.2他励直流电机接线在组合电力电子与电力传动实验台上，断开励磁回路断路器，将单相调压器接入相应位置，然后把直流电动机励磁电源接入直流电动机励磁绕组，接线时红黑两色接线柱分别对应。为了观察方便，也可在直流电动机励磁电源输出正极串入电流表后再接直流电机励磁。斩波电路输出直流电压按正负极接到组合电力电子与电力传动实验台直流电机的正负极（标有M两端的两个接线柱）（正极接红色接线柱

20、，负极接黑色接线柱）。5.1.3斩波控制箱接线l PESX-25 PWM控制箱接线PESX-25 PWM控制箱左上角一排+15、-15V、+GND三个接线端子分别接到PESX-21控制电源箱的+15、AGND、-15V、AGND、注意将电源箱的两个模拟地连在一起。输出的反馈电流信号通过电流传感器输出接到MHA1,由于电流传感器额定电流为30A，在测量小电流的情况下，为了获得较大的电流反馈信号，也可将输出电流联线在电流传感器上绕35匝。输出反馈电压信号经过电压传感器箱接入UF。输出的PWM信号经过DRA和DRB接出，如果需要增大占空比，可将DRA和DRB出现端并联在一起。PWM波形发生器SG35

21、25，其振荡频率由电阻R19、R21和电容C11决定，近似计算公式为：两路输出脉冲间设有一个互锁时间也叫死区，以防止用作桥式变换器驱动时一个桥臂的上下两个功率管直通短路。脉冲死区时间大约为：在降压斩波器中，可以将DRA和DRB连在一起，增大占空比范围。升压斩波器中最好只用一路脉冲。l PESX-28 多相IGBT驱动箱接线本箱体内装4路完全独立的IGBT驱动器，可任选一路使用。假设使用A路驱动器。将A路驱动器的+15V、GND两个接线端子分别与PESX-21控制电源箱+15、AGND相连。若进行降压斩波实验，从PWM控制箱输出的信号接到INA1，GND与驱动电路的GND相连。若进行升压斩波实验

22、，从PWM控制箱输出的信号接到INA2，GND与驱动电路的GND相连。l 斩波脉冲接线把PESX-28 多相IGBT驱动箱A路输出的C1，G1，E1和C2，G2，E2分别接入PESX-07多相逆变桥的C1，G1，E1和C2，G2，E2。一般地，对于未使用的IGBT，要求用零电平或负电平将其封锁，对于驱动箱中驱动器，当工作模式设定为直接方式后，若某一路没有输入信号，其输出自然为-10V。为了防止干扰G1与E1，G2与E2 双绞。l 电流传感器接线首先，把电流传感器右侧+、-极两个接线端子分别接到PESX-21控制电源箱的+15V、-15 V接线端子。电流传感器中间接线端子接入PESX-25 PW

23、M控制箱的中上一排的MHA1接线端子。l 电压传感器接线电压传感器箱用于测量任意波形电压。当原边输入电流10mA时，次边输出25mA。本实验箱中一共有三个相同的电压传感器，每个电压传感器接线相同。首先，把PESX-22电压传感器的+15V、-15V、MHV1接线端子分别按标号对应接到PESX-23 PWM控制箱的中上一排+15V、-15V、UF接线端子。PESX-22电压传感器箱中一共有三个电压传感器，本实验只需要一个电压传感器。把PESX-22电压传感器的U11、U12接线柱分别接到直流输出侧的正极、负极，输出的反馈电压信号经过电压传感器MHV接线端子接入PESX25 PWM控制箱的UF接线

24、端子。如果反馈信号比较小的话，可以选择性的把R2和R4，或者R1和R3用线短路；如图4-1所示。另外两路，类似处理。5.1开环实验主电路接线正确时，将PESX-25 PWM控制箱跳线器JUP2和JUP4接通,进行开环实验。电路开环输出电压及脉冲给定波形如图5-1，5-2，5-3所示。图5-1图5-2 图5-3由以上实验波形及数据可以整理得到开环实验的数据如表5-1所示。表5-1 开环实验数据开环改变输入电压控制信号 T=88us输入电压UiV输出电压UoV导通时间usUoUi占空比图（1）100333133%35.22%图（3）100191720%19.32%由实验测得数据分析可得：理论计算的

25、占空比，与实测占空比基本吻合，造成少许偏差的原因是输入电压的不稳定，以及电路存在一定量的干扰以及测量误差造成的。5.2闭环实验主电路接线正确时，断开PESX25 PWM控制箱跳线JUP2，合上JUP1和JUP4， 合上JUP8，进行闭环实验。电路开环输出电压及脉冲给定波形如图5-4，5-5所示。图5-4 图5-5由以上实验波形及数据可以整理得到闭环实验的数据如表5-2所示。表5-2 闭环实验数据闭环改变输入电压 控制信号T=88us 设定参考电压Uref=20V输入电压UiV输出电压UoV图（4）8020图（5）10020由以上数据及波形可看出： 加入闭环后，给定值（20V）一定，改变输入电压

26、及负载大小时，输出电压基本不变。当输入电压增大时，PI调节器会自动调节达到减小占空比，减少导通时间的目的，当减小输入电压时，同样PI调节器会增大占空比，增大IGBT的导通时间。此次实验中，在直流输入为80-100V时，闭环控制效果非常理想，误差基本为0。当输入电压范围为65-150V时，闭环控制系统的电压误差为10%左右。第6章 结论、问题和体会6.1结论本设计论文完成了设计的基本要求，详尽的阐述了设计依据，BUCK降压电路的工作原理，BUCK电路参数的选取，电路仿真等。本次实验基本达到了预期目的。实验结果与理论分析结论基本一致，即在开环时基本满足；在闭环时，当输入电压变化时，基本满足输出值与设定值基本一致。实验的反馈电路工作顺利，能够完成自控调节输出电压、使其稳定在预设值范围附近。6.2实验问题6.2.1问题一实验电路刚导通时，为了给电容充电，电感电流瞬时值很大，超调接近200%。解决方案：可以在导通时加个限流电阻，待稳定后将其短接。另外，也可以加上电流闭环反馈，来限制电流过大问题。电流闭环与电压闭环形成双闭环可以更好起到控制效果。6.2.2问题二在PESX25PWM控制箱及PESX28多路IGBT驱动箱的输出脉冲信号正常的情况下，输出电压与输入电压基本一致，开始认为可能是电感值太小，但又串入电感后，发现还是没有