直流升降压变换器设计与仿真

1 绪论

电力电子学,又称功率电子学。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。为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。

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)。直流斩波电路的种类很多，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，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。应用Multisim建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck 电路进行了较详细的仿真分析。

本文分析了升降压斩波电路的工作原理，又用Multisim对升压-降压变换器进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。

2直流升降压斩波电路工作原理及输入输出关系

2.1升降压斩波电路工作原理

图2.1所示为升降压斩波电路（Buck-Boost Chopper）原理图及波形图。电路中电感L值很大，电容C值也很大。因为要使得电感电流和电容电压基本为恒指。

a) 原理图

b) 波形图

图2.1 升压/降压斩波电路的原理图及波形图

该电路的基本工作原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为I1，方向如图1所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，

电流为I 2，方向如图1所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压L u 对时间的积分为零。

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：

1、保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t 不变，称为PWM 。

2、保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型。

3、on t 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

（1）V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C 维持输出电压恒定并向负载R 供电。

（2）V 断时，L 的能量向负载释放，电流为i2。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。

2.2输入输出关系

稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压uL 对时间的积分为零，即：

00=⎰

t T L d u 当V 处于通态时，E u L =；当V 处于断态时，o L u u -=；于是：

off

on t U Et 0= 所以输出电压为： E E t T t E t t U on on off on α

α-=-==10 由此可见，改变导通占空比α，就能够控制斩波电路输出电压U 。的大

小。当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，故称作升降压斩波电路。

图（3）b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值

分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：

off

on t t I I =21 由上式可得：

1121I I t t I on off α

α-==

如果V 、VD 为没有损耗的理想开关时，则：21I U EI o

其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。

本电路中的主要功率器件必须是全控型。常见的全控型器件有：GTO,GTR,MOSFET,IGBT 四种，与其他全控型器件相比，IGBT 有开关速度快，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小等优点，所以本设计采用IGBT 。

IGBT 的中文名称是绝缘栅双极晶体管，它是三端器件，具有栅极G ，集电极C 和发射极F ，其内部结构图如图2.2所示。

图2.2 IGBT 内部结构图 IGBT 与MOSFET 相比多一层P+注入区，具有很强的导电能力。其静态特性如图2.3所示。

图2.3 IGBT 静态特性图

2.3控制电路设计

控制系统的设计可以采用模拟控制方案和数字控制方案，这里以模拟控制方案阐述该DC ／DC 变换器控制系统的设计，如图2.4所示。

E G C N +N -a)

P N +

N +P N +N +P +发射极

栅极集电极注入区缓冲区漂移区J 3J 2

J 1

G E

-+-+-I D R N V J1I D R on b )

图2.4 控制实现框图

控制电路需要实现的功能是产生PWM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α的调节，达到控制输出电压大小的目的。产生PWM 信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等。本设计采用直接产生PWM的专用芯片UG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。UG3525内部结构图如图2.5所示。

图2.5 UG3525内部结构图

2.4保护电路设计

在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对全控型器件的保护。所以重要的是怎么设计好对全控型器件的保护方案。在设计对全控型器件的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。本设计中，将通过设计保护电路来对IGBT进行过电压保护和过电流保护。

2.4.1 IGBT的过流保护

IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。

对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。

2.4.2 IGBT开关过程中的过电压保护

关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的