boost与sepic直流斩波器的动态研究及仿真分析(word版)

1、兰州交通大学博文学院毕业设计（论文） 摘要直流斩波电路(DCChopper),也称为直流-直流变换器，其功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电。直流斩波电路的种类有降压斩波电路，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。本文主要研究升压斩波电路和Sepic斩波电路，首先因为这两种电路均需要开关器件进行导通和截止，而绝缘栅双极型晶体管IGBT有诸多有优势，所以采用的开关器件为IGBT，并对IGBT作了简单介绍，然后对boost和sepic斩波电路的工作原理进行了理论分析，最后利用数学工具MATLAB中的simulink对这两种电路进行动态仿真。关键

2、词：升压斩波器sepic直流斩波器仿真AbstractDCchopper,alsoknownasDC-DCconverter,itsfunctionistoDCintoanotherfixedoradjustableDC.DCchoppercircuittypesarebuckchoppercircuit,boostchoppercircuit,buck-boostchoppercircuit,Cukchoppercircuit,Sepicchoppercircuit,Zetachoppercircuit.Inthispaper,wemainlystudytheboostchoppercirc

3、uitandSepicchoppercircuit,firstofallbecausethesetwocircuitsneedtoswitchdevicestoturnonandoff,andinsulatedgatebipolartransistorIGBThasmanyadvantages,sotheuseofswitchingdevicesfortheIGBT.AndtheIGBTisbrieflyintroduced,andthentheworkingprincipleofboostandsepicchoppercircuitisanalyzedtheoretically.Finall

4、y,simulinkisusedtosimulatethetwocircuitsinMATLAB.Keywords:BoostChopper,sepicDCchopper,simulation目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 摘要I HYPERLINK l bookmark2 o Current Document AbstractII HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1直流斩波电路的工作原理1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Do

5、cument IGBT的构造与特性及其工作原理1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document IGBT构造与特性1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document IGBT的导通与关断1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document IGBT的等效电路与常用图形符号1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document Boost斩波电路(BoostChopper)2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document

6、 boost斩波电路的基本原理2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 电感电流连续时工作状态分析3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document Sepic斩波电路(SepicChopper)4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document Sepic斩波电路工作原理4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 电力运行状态分析4 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2基于MATLAB

7、/Simulink的直流斩波器的仿真7 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document boost直流斩波器的仿真7创建boost仿真模型7仿真参数设置7 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 仿真结果与分析11 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 结论16 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document Sepic直流斩波器的仿真16 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 2.2.1

8、创建sepic仿真模型16仿真参数设置17 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 仿真结果与分析17 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 结论23 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 总结24 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 致谢25 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 参考文献26兰州交通大学博文学院毕业设计(论文)兰州交通大学博文学院毕业设计(论文)

9、1直流斩波电路的工作原理IGBT的构造与特性及其工作原理绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,简称IGBT)是由功率MOSFET和GTR复合而成的一种具有电压控制的双极型自关断器件。IGBT构造与特性发射极m发射极NJiIGBT由发射极，集电极和栅极组成。休区漂移区缓冲层注人层图1.1IGBT结构如图1.1所示，在IGBT中，与发射极连接的P区、漂移区N-区、缓冲区N+区、P+区构成了一个PNP型晶体管。连接集电极的P+型注入层是IGBT特有的功能区，起集电极的作用，向漂移区N-区注入空穴，对漂移区N-区进行电导调制，使IGBT在开通状态下，漂移区N

10、-区保持较高的载流子浓度，以降低器件的通态电压。IGBT的导通与关断通过调整栅极电压，可以控制IGBT的开通和关断；当栅极加正向电压时，栅极下方的P区中形成电子载流子导电沟道，电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-漂移区，即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流，从而PNP型晶体管导通，同时也使IGBT导通；此时,为维持N-漂移区的电平衡,P+区向N-漂移区注入空穴载流子,并保持漂移区N-区具有较高的载流子浓度,即对N-漂移区进行电导调制，减少漂移区的导通电阻，使具有长漂移区的高耐压IGBT也具有低的通态压降；若栅极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP型晶体管的基极电流被

11、切断,IGBT关断。IGBT的等效电路与常用图形符号图1.2、图1.3所示为IGBT的常用图形符号，其中带有方向的箭头表示IGBT开通时电流的流向。图1.2IGBT的理想等效电路O集电极(C)栅g(G)A发射极)图1.3IGBT常用图形符号Boost斩波电路(BoostChopper)1.2.1boost斩波电路的基本原理Boost斩波电路的原理如图1.3(a)所示，工作波形如图1.3(d)所示。图1.3(a)中，电感L的作用是储能，T为全控型电力器件开关，电容C的作用是保持输出电压。图1.3Boost斩波电路工作波形(a)主电路，(b)t工作期间，(c)t工作期间，(d)工作波形)onoff

12、工作原理：(1)t工作期间：二极管反偏截止，电感L储能，电容C给负载R提供能on量，如图1.3(b)所示；(2)t工作期间：二极管D导通，电感L经二极管D给电容充电，并向off负载R提供能量，如图1.3(c)所示。L分析可得：onoff1-1)式中占空比a=t/T，当a=0时，U=U，但a不能为1,因此在OWaVIon0d的变化范围内，故U三U。od电感电流连续时工作状态分析1.T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作，如图1.3(b)所示；2.T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容C充电，如图1.3(c)兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）兰

13、州交通大学博文学院毕业设计（论文） 所示。Sepic斩波电路(SepicChopper)Sepic斩波电路工作原理Sepic斩波电路的原理如图1.8所示，其基本工作原理是：当V处于通态时，ELV回路和CVL回路同时导电，L和L贮能。当V处于断态时，EL112121C一VD负载（C和R）回路及L一VD负载回路同时导电，该阶段E和L既1221向负载供电，同时也向C充电，C贮存的能量在V处于通态时向L转移。112jfVciE.R图1.4Sepic斩波电路Sepic斩波电路的输入输出关系为：ttaon卜:ontTt1aoffon1-2)1.3.2电力运行状态分析对于理想状态下的电路分析，储能电感L、L

14、足够大，其时间常数远大于12开关的周期,流经储能电感的电流I可近似认为是线性的。电容C、C也足够大，L12能够维持两端电压恒定。此外，可控开关V具有理想的开关特性。1可控开关V开通时电路运行状态分析V开通时的等效电路如图1.5所示。V开通时，输入电源E对L充电，储能电容C对L充电，电容C维持着负1122载R的两端电压。可以得到如下方程7EL1VVL2C1iiC11-3)C2uo-图1.6V关断时的等效电路V关断后，充在电感L上的电荷对电容C放电，充在电感L上的电荷通过11二极管D对负载放电，可以得到如下方程E-V-Vu=0L1CloV=u1-4)TOC o 1-5 h zL2o-i=iCl1u

15、i=i+i一Ic212R3输入直流电压E和输出直流电压u的关系o稳态时，一个周期T内电感L两端电压U对时间的积分为零，即LjTudt=0（1-5）0L当V处于通态时，电感L、L两端的电压分别为E、VC，当V处于关断时，121电感L、L两端的电压分别为E-VC-u、-u。将数据代入式（1-5）得到121ooE+t(EonoffVtV+1(onC1offuV)=0oC1u)=0o1-6)onE=toffE求解得1-7)VC11-8)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fTidt=00C当关断时的等效电路如图1.6所示：处于通态时流过电容C、C2的电流分别为

16、-i2、-U0当V处于关断时，流经电容C、C的电流分别为i、121i+i-百。将这些关系代入式（1-8），可12R以得到ti+1i0on2off11-9)t(o)+1(i+io)0onRoff12R求解得auixo-11aR1-10)由式（1-25）可知，uo-1aaE，所以可通过控制占空比a的大小来控制输出电压u的大小。即o当tVt时，at时，a0.5,uE,电路属于升压式。onoffo2基于MATLAB/Simulink的直流斩波器的仿真2.1boost直流斩波器的仿真2.1.1创建boost仿真模型根据boost斩波电路原理图创建其仿真模型。打开MATLAB应用软件，新建模型，从Simu

17、linkLibraryBrowser中找至USimulink和SimPowerSystems模块，并从这两个模块中选出仿真所需要的器件。仿真所需器件的名称及提取路径如下：器件名提取路径二极管SimPowerSystem/PowerElectronics绝缘栅双极晶体管IGBTSimPowerSystem/PowerElectronics直流电压源SimPowerSystem/ElectricalSources串联RLC支路SimPowerSystem/Elements脉冲发生器Simulink/Sources电压表SimPowerSystem/Measurements电流表SimPowerSy

18、stem/Measurements信号分离器Simulink/SignalRounting示波器Simulink/Sinks将这些器件连接起来，可以得至如图2.1所示的模型图。图2.1仿真模型图仿真参数设置连接好器件之后，双击各器件进行参数设置。1.电源参数：100V图2.2电源参数设置2.同步脉冲信号发生器参数：振幅1，周期0.002，占空比0.2BlockParameters:PulseGeneratorL号Pule些Ge-nerat=Phase-Del_Pll1seisonY（t）=Aanlitude-elseTf-t=:endPulsetypedeteTZiinesthedd=us-u

19、tatz-onalteDhrLLq_uelleed.：二i冒-t且we出2Shefwhetl出巧吐sxusewithavajLab-le呂tw*ssslveijwhile-5azaplebasedisrecszoendEdE-o-ruse味匚七hafzsedstepsoIwe-TorwithinaiiscieteiDTti-DnofaDDde-1usingavariatlest&rsolwr.Paranete-Ts图2.3同步脉冲信号发生器参数设置3负载电阻R参数：10Q旨BlockParameters-!R10Se-rdERLCEr3_nch(二is.sk(12nk；IzupHezDents

20、aELCbTSTLoh.FaronetezsRfrElEt3J1E&!OllZLiS2且占LLT是331t卜也讥点irpiy图2.4负载电阻参数设置4.电容C参数：0.8e3旨BlockParameters:CO.S-e-3Se-Tie-sELCEransTifmsk)(link)IsplssentsasrisELCtiansh.Resistanu邑lOJiziezsN-une图2.5电容参数设置5.二极管及IGBT参数：取默认值，不做修改BlockPardme-ters:Diode1?.od_c*zzia.isk:-C15_i-Lk:J3inn1e-mentea.diodeindhtalle

21、lwith.ass-tlesKCEn.u.bbeTcixcnit_3non-statetJieDiodemc-de1kass_ttin.te-xns1resistance-tR-a-n.)8andinducta.nce-C-L-otl.F-o-xsueta-p-pixc；aths-helntexnELlnd-usxansesIioll1d.tese-1.tosex-o-_TTie-Di-ocLeInapeclaxLCe-1slixfirtil-eirtoCf3sate-F口工a.zitexsKessta_ns：reKanfCtizD巴卜i|o.OO1|Jnsiu.ctsna匸air(J-Ej二

22、Fozg!aH口口:11曰eevrZ、:|=_3IZLil.iEL1CLJJCXSIXtnq(扎:=Sm.ij.lzbex:ree5.sdjtdeZRibCOJizhd：-sac占FLutt口-hcsapsaq!七sarLumC=P卜二3?e-31S-tic-wzzies.sixrementtottQICIC-iri.cel_IH-ilpIjX-pz-Iv图2.6二极管参数设置图2.7IGBT参数设置6仿真停止时间及算法：停止时间：Is，算法采用odel5s图2.8仿真停止时间及算法设置15615.4127仿真结果与分析本文采用脉冲宽度调制方式，即保持开关周期不变，调节开关导通时间当脉冲宽度为

23、20%时流经电感L的电流波形二/E：;二二匚二；二；SVHIMU.IGBT信号波开厂：吃BT信号波形图2.9脉冲宽度为20%时的输出电流Io、输出电压Uo动态波形流经员载R的电流I。波形流经员载R的电流I。波形T：U125脉冲发生器波形IGBT信号波形输出电压h波形输入皑压滥形流经电感L的电流波形图2.10脉冲宽度为20%时的输出电流Io、输出电压Uo波形仿真动态波形如图2.9，仿真放大波形如图2.10。t0.002*0.2结果分析：根据boost斩波电路升压原理，占空比a=苹二0002二0.2,输出电压U-1E-*100二125V，输出电压波形在125V左右有微小波o1a1-0.2动，取平均

24、值125，理论计算结果与仿真结果一致；输出电流波形在12.5A左右波动，取平均值12.5，输出电流的平均值理论计算I二二*二12.5A，理论计算结果与仿真结果一致。o1-aR1一0.210当脉冲宽度为50%时将脉冲宽度参数修改为50%，如图2.11，继续仿真，仿真动态效果如图2.12图2.11脉冲宽度修改为50%图2.12脉冲宽度为50%时的输出电流Io、输出电压Uo动态波形仿真详细波形如图2.13流经电感L的电流波形脉冲塩生器迪形IGBTV：1A八.IjAZf*、；VV乓N卜YvA；AzfI-A/VA,VVAA:AAAA、:a沁X/：N母日|P妙黑扼适追曰屡衍流经负载R的电流la波形：Lfl

25、1厂101|iQG6Q355Q9tH9&5Q970.575aU9E5fl.99QCH5输出电压Uq波形1-Laa;A/AA/-7/A/iv；yv、QQ输入电压波形图2.13脉冲宽度为50%时的输出电流Io、输出电压Uo波形结果分析：根据boost斩波电路升压原理，则占空比t0.002*0.511a=n=二=0.5，输出电压U二E二-*100二200V，输出电压T0.002o-a1-0.5波形在200V左右波动，取平均值200，理论计算结果与仿真结果一致，达到了升压的目的；输出电流波形在20A左右波动，取平均值20，输出电流的平均值理论计算I=*二20A，理论计算结果与仿真结果一致。O1-aR1

26、-0.510当脉冲宽度为70%时将脉冲宽度参数修改为70%，如图2.14，继续仿真，仿真动态效果如图2.15寻BlockParameters:PulseGeneratorPu.1eeGeneratorOutputpulses:ift、二Fh且eeDelay_PiilEeisonY(t)二AziplitudeelseY(t=0endPulsetypedsteTinesthespiltatisnaltschTLiaus-used.TiiDG-basediis-cc-zmendedforlle-withelvariable-st-pgdIvs-TjwhileSazspUe-ts-EedisTecs-

27、znziendedforusewithafizedEtepEclveioturithinadiECTetepDTticnofan-de-lheinsavariablestepsolver.nFaranEteiE图2.14脉冲宽度修改为70%l!l-1ED0.5ZflD10005100流经电感L的电流玻形誉阳诃卄掩屆盼|西尋IGBT信号诜形noiiiiHMmiini输出电压Lh逋形.:J输入电压波形:”代，严十丄匚科聲*初臨和*呻*脉冲发主器液形图2.15脉冲宽度为70%时的输出电流Io、输出电压Uo动态波形仿真详细波形如图2.16。图2.16脉冲宽度为70%时的输出电流Io、输出电压Uo波形t

28、0.002*0.7结果分析：根据boost斩波电路升压原理，占空比a=亠二二0.7，输T0.002出电压U二丄E二1*100二333.3V，理论计算结果与仿真结果基本一致；输出电流的平均值I二E二1*嘿二30A,理论计算结果与仿真结果o1-aR1-0.710基本一致。2.1.4结论Boost斩波器的作用是升高电压，通过以上的仿真结果来看，随着占空比a增大，输出电压U也增大，而且输入电压与输出电压存在以下关系：oU=-E（2-1）o1-a式（2-1）中，U为输出电压，E为输入电压。o2.2Sepic直流斩波器的仿真创建sepic仿真模型根据sepic斩波电路原理图创建其仿真模型。与boost仿真

29、模型所需器件的提取路径一致，此处不做过多赘述。参照boost器件提取路径，将所需器件提取出来并进行连接，可以得到如图2.17所示的模型图。图2.17sepic仿真模型仿真参数设置连接好器件之后，双击各器件进行参数设置。由于参数设置方式与boost斩波器的参数设置方式相同，所以sepic斩波器的参数设置不再截图。电源参数：100V同步脉冲信号发生器参数：振幅1，周期0.00002，占空比0.23负载电阻R参数：185Q4储能电容C1参数：1pF5滤波电容C2参数：0.8卩F电感L1参数：ImH电感L2参数：lOOmH二极管及IGBT参数：取默认值，不做修改9仿真停止时间及算法：停止时间：0.02

30、s，算法采用odel5s仿真结果与分析此处采用与boost斩波调制方式一致的脉冲宽度调制方式（PWM）。当脉冲宽度为20%时仿真动态波形如图2.26图2.26脉冲宽度为20%时的输出电压Uo动态波形仿真详细波形如图2.27KIGBT信号波册ILIIL脉冲发生器波形加:亠TTzx,-yvg|-I!-|输出电压Uo波形输入电压E菠形：U.LH的心0他aCrlKftulLILI.01Id.0恨EQi玄口产咼囹戸轟国瑙白昌彎流经二极管的电流波形图2.27脉冲宽度为20%时的输出电压Uo波形结果分析：根据sepic斩波电路原理，占空比a=*0000二，当a0.5,uVE,电路属于降压式；输出电压U二旦E

31、=0乙x100二25V，从oo1a1-0.2波形图中可以看出输出电压u在24V-26V之间波动，取其平均值正好为25V,理o论计算结果与仿真结果一致,达到了降压的目的。当脉冲宽度为50%时将脉冲宽度参数修改为50%,如图2.28,继续仿真,仿真动态效果如图2.29图2.28脉冲宽度参数修改为50%图2.29脉冲宽度为50%时的输出电压Uo动态波形仿真详细波形如图2.30K-输岀电压波形11IAJ11-脉沖发生器波形0.5厂I1W.5in回J咼画戸同0杓岛畐|邑他厨流经二极管的电流波形输入电压E波形uiniSmmufin54Oin加r117IGBT信号波形IIrTrl円4円”rl.图2.30脉冲

32、宽度为50%时的输出电压Uo波形t0.00002*0.5结果分析：根据sepic斩波电路原理，占空比a二苹二oo。？二5，当a=0.5,u=E；输出电压U=丄E=x100二100V（其中a为占空比），。01a1-0.5从波形图中可以看出输出电压uo在95V-105V之间波动，取其平均值正好为100V,理论计算结果与仿真结果一致,输入电压与输出电压相等。当脉冲宽度为80%时将脉冲宽度参数修改为80%，如图2.31，继续仿真，仿真动态效果如图2.32图2.31脉冲宽度参数修改为80%图2.32脉冲宽度为80%时的输出电压Uo动态波形仿真详细波形如图2.33u.inStin?好0.0i0.5,uE,

33、电路属于升压式，输出电压U=旦E=x100二400V（其oO1a1-0.8中a为占空比），从波形图中可以看出输出电压u在380V-420V之间波动，取其o平均值正好为400V，理论计算结果与仿真结果一致，达到了升压的目的。结论Sepic斩波电路的特点输入与输出电压极性相同，优点是转换效率高，可以通过调整占空比a的大小，对输入电压进行升高、降低和不变的操作，具体为：当tVt时，at时，a0.5，uE，电路属于升压式。onoffo总结今年3月，我开始了我的论文撰写工作，直到今天，终于将它完成。从最开始的不知所措，到后来的慢慢理解，再到最后的顺利完成。中间经历了迷茫，遇到了很多困难，都被我一一克服。3月初，我从导师给的课题中选了“boost与sepic直流斩波器的动态研究与仿真分析”。4月，资料