基于MATLAB的反激变换器分析与设计毕业论文.docx
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基于MATLAB的反激变换器分析与设计毕业论文
目 录
引言 2
1反激变换器理论基础 3
1.1反激变换器的特点 2
1.2反激变换器工作原理 4
1.3反激变换器工作模式 4
1.4反激电路MATLAB仿真建模 5
1.5反激变换器的控制方法 8
2单端输入多端输出反激变换器的设计 8
2.1设计要求 9
2.2设计平台 9
2.3设计流程 9
3单端输入多端输出反激变换器的开环仿真 9
3.1设计电路系统框图 9
3.2开环仿真分析 9
3.3仿真结果分析 12
4单端输入多端输出反激变换器的闭环仿真分析 12
4.1PID控制 14
4.2闭环系统仿真框图 13
4.3SIMULINK建模 14
4.4闭环系统仿真 15
结束语 16
参考文献 16
致谢 16
作者简介 18
声明 20
6
引言
开关晶体管开通和断开的时间比率是利用近代的电力电子技术来控制的,来保持电压稳定输出的一种电源叫做开关电源。
当开关电源还没出现的时候,这种工作电源都是采用线性稳压电源。
线性稳压电源也称为串联调整式稳压电源,具有良好的稳定性,快速反应性,输出纹波电压输出小,工作噪音小等优点,但也有工作效率低,体积膨大,集成性低,产生的热量大等问题。
开关电源是通过控制开关通断的时间比率来保持电路的输出电压稳定的一种电源,以它的小体积、轻重量、小功率、高效率、易扩容、智能化程度高、便于管理等特点,逐步取代线性稳压电源,成为直流稳压电源管理的主导方式[1]。
随着电子技术的不断发展,电子设备也得到了长足的发展,功能越来越强大,体积却越来越小,社会急切需求一种性能更高、体积更小、效率更高和集成性更强的新型电源;因此对开关电源的研究有着很重大的意义。
当前开关电源作为电力电子领域的一个重要研究方向,对其的研究,不仅有理论意义,而且对我们生活的改善,有着很重要的意义。
以Flyback电路作为开关电源的主电路为研究对象意义重大,而且MATLAB这款仿真软件具有十分强大的功能,还有针对电力电子的一些专用功能,因此在MATLAB平台上研究Flyback变换器,对于我们今后的学习工作是很有帮助的。
1反激变换器理论基础
1.1反激变换器的特点
反激变换器具有电路拓扑比较简洁,能够提供多路直流输出,因此比较适合多组电压输出的要求。
电路的输出电压与输入电压具有电气隔离的简洁的变换器就是反激变换器。
输出滤波就有一个滤波电容就够了,体积和电感不要求很大,具有成本小的优点。
特别是在输出高电压的时侯,能够避免大电感和大续流二极管。
功率晶体管处于零电流开通状态的时候,开通损耗是非常小的。
二极管在零电流关断时候,用不着考虑反向恢复的问题;电路的输入电压处于很大波动的时候,其仍然具有较稳定的电压输出,不需要切换就可以达到稳定输出电压的要求;转换效率非常的高,损失非常的小;变压器的匝数比值较小;对于小功率多组输出电路比较有效;反激电路的变压器工作原理跟其它类型的隔离变换器的工作原理是不同的,在反激电路中的隔离变压器同时起到了存储能
量的作用;而且其变压器的铁芯必须加上气隙,以这种方式来防止磁的饱和;所以反激变换器被广泛应用在中小功率变换的场合。
1.2反激变换器工作原理
反激(Fly-back)变换器的构成元件有开关管、整流二极管 、电容、输入电源 、负载 、和变压器T构成,变压器有两个绕组:
一次绕组P和二次绕组S,绕组数分别用 、 表示,其同名端标记在图1中以“”表示,两绕组要紧密耦合,
如图1所示。
图1反激变换器
反激变换器属于一种隔离式开关变换器,该变换器利用变压器的功能实现了输入电压与输出电压的隔离。
当开关管处于导通状态的时候,高频变压器T原边的电压等于输入电源的电压减去开关管的饱和管压降的电压,若忽略开关管的饱和管压降,它的
电压值可以认为是近似等于输入电源电压 值,其极性是上为正下为负,变压器的原边
进行储能;与之对应的高频变压器副边电压是上负下为正。
此时整流二极管 承受的是反向电压,所以是不导通的,负载 上的电能是依靠输出电容的放电电流来供应的。
当开关管截止时,在高频变压器的原边感应出上为负下为正的自感电势,而在变压
器的副边感应出上正下负的自感电动势,所以整流二极管 正向导通,变压器储能给
及负载 供电。
由此可知反激变换器在开关管处于受控导通的时候,高频变压器可以
把电能转变成磁能进行储存;而当开关管处于受控截止状态,高频变压器就把原先储存起来的磁能转变为电能,通过整流二极管向负载 供电和向输出电容进行充电。
反
[4]
激变换器的整流二极管 是在功率晶体管截止状态才导通,故称其电路为反激型。
在这种电路中,只要改变开关管的开关频率、占空比以及初级和次级电感的线圈数比,就可以对输出电压、电流和功率进行调节。
1.3反激变换器工作模式
依据反激变换器变压器副边的电流有无下降到零,可以将反激变换器分为三种工作模式:
电感电流连续模式(CCM)、电流断续模式(DCM)与电流临界连续模式(BCM),各种工作模式下对应的的电感电流波形如图2所示,图中的,分别是反激变换器变压器
原副边的电感电流,D是开关管S的占空比,是变压器的开关频率。
图2变压器电感电流波形
1.4反激电路MATLAB仿真建模
应用MATLAB仿真软件搭建反激fly-back电路,如图3所示,通过示波器Scope2可以清晰地观察到变压器副边绕组电流的波形和负载电流、电压的波形,从而根据波形判断变换器工作模式。
图3反激仿真建模图
反激Flyback仿真建模图中DC是直流电压源,T是高频变压器,C是滤波电容,
Diode1是电力二极管,电力二级管具有单向导通特性,具有阻止电流反向流动的功能;
IGBT是电路的开关器件,R是负载,PulseGenerator是PWM脉冲发生器,用于驱动IGBT。
几个重要的元件模块在反激Flyback仿真图中的参数需要调试。
通过使用试凑法最
终可以确定元件模块的参数如下表1所示:
电源电压(DCVoltage)
100V
PWM周期
0.001sec
Pn
250e6VA
fn
1000Hz
变压器(T)
V1
200e3V
V2
40e3V
滤波电容(C)
200e-5sec
负载电阻(R)
2Ω
R
0.001Ω
表1仿真建模中元件参数设置
H
0
电力二极管(Diode1)
Vf
0.8
Rs
Cs
500
250e-9
(1)反激变换器的连续工作模式
保持负载电阻R=2Ω,反激变换器变压器的参数Rm的值为50、Lm的值为2,改变元件模块的占空比D的大小看反激电路的工作状态,在占空比D为50%的时候,电感电流大于零反激电路处于连续模式状态,如图4所示。
图4连续模式时变压器副边的绕组电流,负载电压、电流波形
(2)反激变换器的断续工作模式
6
当占空比D=8%时,电路处于断续模式状态如图5所示。
图5断续模式时变压器副边的绕组电流,负载电压、电流波形
从图4和图5可以看出:
在负载电阻的阻值R为2Ω,反激变换器变压器的参数Rm的值为
50、Lm的值为2保持不变的时候,把占空比改小,反激电路由电流连续模式转变为电流断续模式。
(3)保持负载电阻的阻值R为2Ω,元件模块占空比D为50%,反激变换器变压器的参数Rm的值为50保持不变时候,把变压器Lm的值变小到0.1时,电路处于断续模式状态如图6所示。
图6断续模式时变压器副边的绕组电流,负载电压、电流波形
从图4和6可以看出,在保持负载电阻阻值R为2Ω,元件模块占空比D为50%,反激变换器变压器的参数Rm为50保持不变的时候,变小变压器Lm的值,电路由电流连续模式变为电流断续模式。
通过观察并记录图4到图6中的仿真波形可以看出可以通过改变PWM脉冲发生器的占空比D、变压器Lm值的大小来控制和调节输出电压、电流的大小。
在负载电阻的阻值保持不变的时候,反激变换器的变压器Lm值的逐渐变小到莫个值的时候电路的工作模式就会从电流连续转变为电流断续,由此可以得出反激变换器的变压器Lm值的大小直接影响电路是工作于电流连续还是工作于电流断续。
1.5反激变换器的控制方法
DC/DC变换器的控制方法比较常见的方法是“时间比率控制”。
它是通过调整变换器中开关管的导通占空比,从而实现输出电压在工作状态下保持稳定。
根据这个原理,可以将控制方法分为三种:
脉频调制、脉宽调制和混合调制。
【6】
7
8
脉频调制是指保持开关管导通时间不变,通过改变开关管的周期来调整占空比的一种控制方法。
脉宽调制是保持开关周期不变,而改变开关的导通时间来调整占空比的一种控制方法。
混合调制方式是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都能改变的一种控制方式,属于PWM和PFM调制的混合。
本设计采用的是脉宽调制,也就是以输出电压+5V作为反馈电压,实现单闭环控制。
2单端输入多端输出反激变换器的设计
2.1设计要求
反激变换器具有可靠性高、输入电压与输出电压具有电气隔离、升(降)压的范围较为宽、易于多路输出等优点。
因此,本次将设计一个DC/DC单端输入多端输出的反激变换器电路,输入的直流电压源是110V,输出直流电压为+5V,+15V,-15V的反激变换器,并在MATLAB仿真软件的平台上对其验证。
2.2设计平台
[5]
本次设计是基于MATLAB平台的仿真设计,MATLAB是由美国Mathworks公司开发的大型软件。
在MATLAB软件中,包括了两大部分:
数学计算和工程仿真。
其数学计算部分提供了强大的矩形处理和绘图功能。
在工程的仿真方面,MATLAB软件的应用几乎遍布了各个工程领域,并且还在不断加以完善。
2.3设计流程
首先,要在Simulink/SimPowerSystems平台上搭建一个符合要求的开环Flyback
电路。
然后进行参数的调试,直到设置的参数符合设计要求为止。
最后,在Simulink/SimPowerSystems平台上,搭建一个闭环控制的电气模型。
将输出电压进行采样后,然后与基准电压+5V进行比较,得到误差信号。
把误差信号通过电压补偿,与锯齿波波进行PWM的调制,得到一组满足条件具有控制能力的方波,对开关管进行控制。
3单端输入多端输出反激变换器的开环仿真
3.1设计电路系统框图
3.2开环仿真分析
使用MATLAB软件搭建电路的开环系统。
如图10所示,通过示波器Scope,可以清晰地观察到输出电压的波形,从而根据波形判断变换器输出电压稳定时的值。
在
Simulink还可以使用测量模块,直观的读出输出电压的平均值。
图10开环系统仿真图
开环系统仿真用到的模块及其主要功能如下表2所示:
模块名
主要功能
Saturation(限幅)
设置输入信号的正负限幅值,模拟环节的饱和特性
DCVoltageSource(直流电
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