PWM控制斩波电路及仿真
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
院（系）：工程技术学院
专业班级：电气121
学号：121902020
学生姓名：
指导教师：（签字）
起止时间：2010-12-15至2011-12-26
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：工程技术学院教研室：电气教研室Array
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算。
摘要
提出一个基于PWM控制的斩波电路控制系统，本课程设计主要应用了MATLAB 软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计，PWM控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件IGBT的导通和关断，实现整个系统的运行。用SIMULINK 提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计。
关键词：PWM；buck电路；控制；SIMULINK
目录
第1章绪论 (1)
1.1电力电子技术概况 (1)
1.2本文研究内容 (1)
第2章 PWM控制斩波电路的设计 (2)
2.1PWM控制斩波电路总体设计方案 (2)
2.2具体电路设计 (2)
2.2.1 主电路设计 (2)
2.2.2 控制设计 (3)
2.2.3 保护电路设计 (5)
2.3BUCK主电路参数设计 (5)
2.3.1参数设计原理 (8)
2.3.4采样电阻的选 (8)
2.4原件型号选择 (8)
2.4.1元件清单及参数设置 (8)
2.4.2电力二级管模式 (9)
2.4.3电压电流测量模块 (10)
2.4.4示波器模块 (10)
2.4.5PWM脉冲模块 (10)
2.5系统仿真 (11)
2.5.1主电路框图 (11)
2.5.2仿真波形 (11)
第3章课程设计总结 (12)
3.1心得体会 (12)
3.2设计总结 (12)
参考文献 (13)
第1章绪论
1.1电力电子技术概况
直流斩波电路（DC Chopper）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(DC/DC Converter)。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。
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。
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。
直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。
MATLAB是矩阵实验室Matrix Laboratory的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，SIMULINK是MATLAB软件的扩展它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在SIMULINK中来完成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。
1.2本文研究内容
本课程设计主要应用了MATLAB软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计与仿真系统主要包括：BUCK降压斩波主电路部分、PWM控制部分和负载。BUCK降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可[1]。
PWM控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件IGBT的导通和关断，实现整个系统的运行。在SIMULINK中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用SIMULINK提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计[2]。
第2章 PWM控制斩波电路的设计
2.1 PWM控制斩波电路总体设计方案.
本课程设计主要应用了MATLAB软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计与仿真系统主要包括：BUCK降压斩波主电路部分、PWM控制部分和负载。BUCK降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可[1]。PWM控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件IGBT的导通和关断，实现整个系统的运行。在SIMULINK 中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用SIMULINK提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计[2]。
系统框图如图2.1所示:
图2.1 BUCK变换器系统结构总框图
2.2具体电路设计
2.2.1主电路设计
BUCK变换器的基本原理：BUCK电路是由晶体开关管V、续流二极管VD和LC 输出滤波器组成，图中RL表示负载。
其电路图如图2.2：
图2.2 BUCK降压斩波电路图
稳态时，V周期性的导通和关断，将直流输入电压斩波、生成脉宽为TON的矩形波脉冲电压；然后再由LC滤波器滤波，当LC足够大时输出电压的纹波足够小，可以认为是平滑直流电压，稳态时根据电感电流是否连续，BUCK变换器有连续和不连续两种工作模式。
IGBT的等效电路如图2.3所示。由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则IGBT导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则IGBT截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止[5]。
图2.3 IGBT的等效电路
由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：——IGBT栅极与发射极之间的电压；——IGBT集电极与发射极之间的电压；——流过IGBT集电
——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极—发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极—发射极之间的耐压，流过IGBT集电极—发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏[6]。
2.2.2控制设计
控制方式选择：根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式(时间比控制方式)：
（1）脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton
（2）频率调制：ton不变，改变T
（3）混合型：ton和T都可调，改变占空比。（调宽调频混合控制模式）
本次课程设计选用第一种方式。
PWM控制的基本原理：脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”
的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定[3]。
PWM波的分类：根据PWM波形的幅值是否相等，PWM波可分为等幅PWM波和不等幅PWM波。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路和PWM 整流电路等；当输入电源是交流时，得到的即为不等幅PWM波，都基于面积等效原理，本质是相同的。根据所控制电路的不同，PWM波又可分为电压波和电流波[4]。
PWM的产生原理：PWM可以通过芯片和软件来实现，在此我选择的是软件实现，通过对单片机的P3的第七个管脚编程来产生40KHZ的PWM，其占空比是56%。其原理图如图2.4所示：
图2.4 PWM产生电路图
PWM放大原理：由单片机产生的PWM的一个缺点就是驱动能力不足，所以在单片机的P3的第七个管脚需要加一个驱动电路，需要使用芯片IR2101来获得足够大的电压来驱动场效应管。如图2.5所示为IR2101的芯片管脚：
图2.5 IR2101引脚图
其引脚作用如图2.6所示：
图2.6 管脚功能图
2.3BUCK主电路参数设计
2.3.1参数选择原理
在Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美的滤波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐波。因此，输出电压波形事实上如图2.7所示，可以表达为[7]：
图2.7 电压波形图
所以实际的输出电压由所需要的直流分量UO加少量的交流分量uripple所组成，交流分量由低通滤波器未能完全衰减的开关谐波所产生[8]。
由于直流变换器的作用使产生所需的直流的输出，因此希望输出电压开关纹波很小。所以，通常可以假设开关纹波的幅值远远小于直流分量，即：
|Uripple|max<< Uo （2.1.1) 因此，输出电压近似为直流分量UO，而忽略其小纹波成分uripple，即： uo(t)≈Uo （2.1.2）上述近似称为小纹波近似，或称线性纹波近似，可大大简化变换器波形的分析。下面分析电感电流波形，进而得出电感的计算公式。通过电感电压波形的积分可以得到电感电流。在图2.7中把V看成开关漏极为位置1，栅极为位置2。开关在位置1时，电感在左侧与输入电压Ud相连，电路简化为下图2.8（a）[9]。电感电压为:
uL(t)=Ud-uo(t) (2.1.3) 如上所述，输出电压uo(t)为其直流分量Uo加小的交流纹波成分uripple（t）。采用小纹波近似，式（2.1.2）中的uo(t)用其直流分量Uo代替，得到: uL(t)=Ud-Uo (2.1.4)
开关在位置1时，电感电压等于Ud-Uo，如图2.8（b）所示。电感电压方程为:
uL(t)=LdiL(t)/dt (2.1.5) 在第一个子区问，由上式可以解得电感电流波形的斜率为:
diL(t)/dt=uL(t)/L=Ud-Uo/L (2.1.6)
由于开关在位置1时，电感电压近似为常量，因此电感电流的变化率也近似为常数，电感电流线性上升。当在第二个子区间，开关处于位置2时，电感的左端与参考地相连，简化电路如图2.8(b)所示。所以，在第二个子区间，电感电压为：
uL(t)=-uo(t) (2.1.7) 采用小纹波近似式（2.1.2）得到：
uL(t)=-Uo (2.1.8) 所以，当开关处于位置2时的电感电压为常量，如图 2.8(b)所示。将式(4.1.8) 代入式(4.1.5)中，得到电感电流的斜率为:
diL (t)=-Uo/L (2.1.9)
图2.8 等效电路图
因此，在第二个子区问，电感电流的变化率为一负的常量。现在，电感电流的波形如下图所示，电感电流从初始值iL(0)开始。在第一个子区间开关处于位置1时，电感电流以给出的斜率上升。在时刻t=DTs，开关转至位置2.然后电感
电流以式(2.1.9)所给出的斜率下降。在时刻t=Ts，开关转回位置I，以下过程重复[10]。
下面计算电感电流纹波△iL。下图2.9所示，电感电流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的纹波△iL。此峰值电流不仅流过电感，而且流过半导体器件。当确定这些器件的参数时，需要知逆峰值电流[11]。
图2.9 电感电流
已知在第一个子区间中的电感电流流的斜率和第一个子区间的长度，可以计算其纹波幅值，iL(t)的波形关于I对称，因此在第一个子区间中的电流上升2△iL(△iL是纹波峰值，因此纹波峰值为2△iL)。所以:
iL(t)的变化量=斜率╳子区间长度
电感电流的纹波为:
iL =(Ud-Uo)DTs/2L (2.1.10) △iL的典型值是在满载时的直流分量I的10%-2O%。△iL不希望太大，否则增大流过电感和半导体开关器件的电流峰值，从而将增加功率损耗和体积。可以通过选择合适的电感值得到所希望的电流纹波△iL。由式(2.1.10)得到:
L=(Ud-Uo)DTs/2△iL (2.1.11) 通常式(4.1.11)被用来选择Buck变换器的电感值。把(2.1.11)式进一步转化得到:
L≥UiDmax(1-Dmax)/2kfsImax (2.1.12) 其中Dmax为Buck电路最大占空比，k=0.05一0.1, fs为开关管的开关频率，Imax为最大输出电流，U为输入电压。
2.3.2电感值的计算
因为频率fs对于DC-DC电路变换的效率影响非常的大。如果fs太高，可以使充电电感和滤波电容体积减小，但是充电电感的涡流损耗，磁滞损耗及其其他元件的分别参数的影响加大造成的其他元件损耗加大。如果fs太低，充电电感，滤波电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈匝数增多，铜的损耗加大。综合考虑各种因素，这里设计开关管的开关频率fs=40KHz,可以求得震荡电阻为47K，震荡电容为1000pF。对于最大占空比，选择Dmax=50%，而最大输出电
流Imax=1.2A，k=0.05，Ui=24V，从而可以得到：L=1.31 mH[12]。
2.3.3滤波电容的计算
电容需要滤掉主要的开关纹波，选择电容C足够大，以使开关频率时的电容值阻抗远小于负载阻抗R，因此几乎所有的电感电流纹波流经电容，而流经负载电阻阻抗R的纹波非常小，电容电流波形ic(t)等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分。电容的纹波电流要大于电路中的纹波电流。这里选取两个470uf/25V的电容并联，这样就可以降低了等效的串联电阻[13]。
2.3.4采样电阻的选用
最后采样电路，为了避免通电时间长，电阻会发热，电阻的阻值会变大，引起比较大的误差，我们选取了4个0.1欧姆/3W的电阻。两两串联起来，有效的减小电阻发热导致误差的影响。
2.4原件型号选择
2.4.1元件清单及参数设置
打开MATLAB的仿真环境Simulink，在SimPowerSystem>Elements选择“Series RLC Branch”阻感容串联模块。在Simulink模块库中没有专用的电阻、
Series RLC Branch模块通过参数的设置来实现.双击进入设置模块，在进行设置即可，如图2.10所示：
图2.10 阻感容串联模块
2.4.2 电力二极管模块
在SimPowerSystem>Power Electronics选择“Diode”电力二极管模块，模块如图2.11所示，参数设置如图2.12所示:
在SimPowerSystem>Power Electronics选择全控型“IGBT”模块，模块如图2.13所示，参数设置如图2.14所示：
● 2.4.3 电压电流测量模块
在SimPowerSystem>Measurements选择“Voltage Measurement”电压测量模块和“Current Measurement”电流测量模块，通过这些模块,可以方便的与示波器模块相连接来进行参数的测量。模块如图2.15所示：
图2.15 电流与电压表
● 2.4.4 示波器模块
在Simulink>Sinks选择“Scope”示波器模块，用来与电压和电流测量模块配合使用，显示测量点的电压或电流波形。“Scope”示波器模块可以参数设置测量输入端的数目，也就是说可以同时进行多路的测量，既可以是电压，也可以是电流，仿真时可以通过双击示波器模块，打开显示波形的界面，该界面有很多按钮，可以进行X轴和Y轴的放大显示，方便观察测量的波形，选择“Parameters”按钮模块，打开示波器的属性设置窗口，在Number of axes中输入需要的端口数目即可。模块如图2.16所示：
图2.16 示波器
2.4.5 PWM脉冲模块
在Simulink>Sources选择“Pulse Generator”模块，用来模拟PWM控制电
路和驱动电路，该模块通过参数的设置，可以实现任意周期，任意宽度，任意幅值的脉冲信号，模块如图18所示：参数设置如图19所示：
图2.17 模拟PWM控制电路
图2.18 模拟PWM参数设置
2.5系统仿真
2.5.1主电路框图
在Simulink中选择File>New>Model,即可创建以一个由工具栏和绘图区构成的文件，将选择的各个模块从库中拖到新建的绘图区，进行连线，即可完成电路
图的绘制。电路图如图2.19所示。
图2.19 BUCK主电路仿真图
2.5.2 仿真波形
设置仿真时间为1s，仿真过程中或仿真结束后，双击示波器模块，即可查看各个测量点的波形：
（1）未放置电容LC时，斩波波形：如图2.20所示为斩波电路电流（上）与电压（下）波形图：
图2.20展播电路仿真波形
(2)放置电容LC并调好参数时，占空比为50%和占空比20%的波形比较如
图2.21:
图2.21电压比较图
第3章课程设计总结
3.1 心得体会
通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流。在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表达能力。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。
3.2设计总结
本次电子课程设计针对BUCK变换器进行了详细的介绍，包括BUCK电路的工作原理分析、BUCK电路的主要参数设计、BUCK电路电路的仿真以及PWM的产生的仿真。通过这次的课程设计我对民用电子更加的了解了并且把理论上的知识运用到了实际生活中，查阅资料，与同学相互的交流也是一种学习的方法，增加了自己的交流的水平，也让我学会了MATLAB仿真软件的使用和PROTEUS仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，让我真正的学以致用。
参考文献
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