直流斩波PWM控制Matlab仿真

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目: 直流斩波PWM控制Matlab仿真

初始条件：

输入200V直流电压。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、要求得到0~100V直流电压。

2、在Matlab/simulink中建立电路仿真模型；

3、对电路进行仿真；

4、得到结果并对结果进行分析；

时间安排：

课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。

第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。

第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。

第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (1)

1 概述及设计要求 (2)

1.1 概述 (2)

1.2 设计要求 (2)

2 降压斩波电路拓扑分析 (3)

2.1 降压斩波器基本拓扑 (3)

2.2 buck开关型调整器拓扑分析 (3)

2.3 降压斩波电路的重要参数计算方法 (4)

2.3.1 buck调整器的效率 (4)

2.3.2 buck调整器的理想开关频率 (4)

2.3.3 输出滤波电感的选择 (5)

2.3.4 输出滤波电容的选择 (5)

3 电路设计 (6)

3.1 buck主电路设计 (6)

3.2 脉宽调制电路设计 (7)

3.3 MOS管驱动电路设计 (8)

3.4 系统工作总电路 (8)

4 Matlab建模仿真及分析 (9)

4.1 Matlab仿真模型的建立 (9)

4.2 Matlab仿真结果及分析 (10)

结束语 (14)

参考文献 (15)

摘要

随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小、重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。

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。斩波电路主要用于电子电路的供电电源。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。斩波器的工作方式有脉宽调制方式（Ts不变改变ton）和频率调制方式（ton不变改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。

本次设计要求对直流斩波电路进行Matlab仿真，得到仿真结果，并加以分析，利用Matlab的sinulink工具箱来完成仿真任务。若想得到稳定的电压输出，要进一步研究PWM调节方式，通过施加反馈系统，得到稳定的输出电压。

关键字：降压斩波 Matlab仿真 PWM调节

1 概述及设计要求

1.1 概述

在电力电子技术中，将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换，称为直流—直流变换。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。

直流斩波PWM控制技术是采用脉宽调制技术通过对开关管的通断的占空比的控制来达到改变输出电压的目的。基本的拓扑结构包括降压斩波电路、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，其中降压斩波电路（buck）和升压斩波电路（boost）是应用最多也是最广泛的。根据本设计的设计指标要求，下面将对降压斩波电路进行原理图的设计及利用matlab软件进行仿真验证。

1.2 设计要求

本设计要求输入200V直流电压，采用PWM斩波控制技术，得到得到0~100V直流电压。并且建立Matlab仿真模型，对电路进行分析，得到结果并对结果进行分析。

2 降压斩波电路拓扑分析

根据题目要求，本设计采用降压斩波电路进行设计，利用PWM 控制技术实现题目所要求的指标。

2.1 降压斩波器基本拓扑

图1 buck 电路基本拓扑

Buck 斩波电路如下图1所示，假设电路中电感L 值、电容C 值很大，当可控开关V 开通时，电源E 向负载供电，负载电压0U =E ，负载电流0i 按指数曲线上升。当可控开关V 关闭时，负载电流经二极管VD 续流，负载电压0U 近似为零，负载电流0i 按指数曲线下降。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，设V 通的时间为t on ，。V 关断的时间为off t ，则负载电压的平均值为

其中T 为开关周期，a 为导通占空比。

2.2 buck 开关型调整器拓扑分析

图2 buck 开关型调整器结构图0

on on on off t t U E aE t t T

===+

对于图2所示的buck 基本拓扑，属于开环控制，实际应用中如果出现电网波动，可能造成输出电压不稳，无法正常工作。而加入如图2-2所示的反馈调节电路，可是输出电压稳定。反馈过程如下：采样电阻R1和R2检测出0U ，并将其输入误差放大器（EA ）

与参考电压ref V 进行比较。被放大的误差电压ea V 被输入到电压比较器PWM 中。PWM 比较器

的另一端输入是周期为T 的锯齿波，其幅值一般为3V 。PWM 电压比较器产生矩形波脉冲（从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束）。因此，PWM 输出的脉冲宽度on T 与误差放大器输出电压成比例。PWM 脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关

管Q1的通断。若输入电压E 稍升高，则EA 输出电压ea V 将降低使锯齿波与ea V 交点提前，Q1导通时间on T 将缩短使输出电压0/on U ET T =维持不变，同理，当E 下降时，on T 增大，使0U 维持稳定。

2.3 降压斩波电路的重要参数计算方法

2.3.1 buck 调整器的效率

针对图2-2所示拓扑结构，分析buck 调整器的效率如下：

电路的所有损耗只是Q1和D1的导通损耗加上Q1的交流开关损耗。Q1导通瞬间，Q1上升电流和下降电压有重叠，会造成导通损耗。而在Q1关断瞬间，下降电流和上升电压有重叠，会造成关断损耗。设直流输出电流为0I ，由于在很宽的电流范围内，Q1和D1的导通压降近似为1V ，所以导通损耗可表达为

若忽略交流开关损耗，则效率为

此公式是用于粗略的估计buck 电路的效率，如果需要精确计算buck 电路的效率，则还需进一步的计算交流开关损耗及了解开关管的工作状态。

2.3.2 buck 调整器的理想开关频率

buck 调整器的开关频率的选择问题有两面需要考虑，一方面，适当的提高开关频率，可以减小电感和电容的体积，但另一方面，因为交流损耗与开关周期T 成反比。缩短周

000(1)(1)111off on s T T P L Q L D I I I T T

=+=+=000000000P fficiency=P P 11

s V I V E V I I V ==+++