具有中间变换环节的DC-DC变换器设计与仿真课程设计任务书

武汉理工大学《电力电子装置和系统》课程设计说明书

具有中间变换环节DC-DC变换器设计与仿真

1 设计任务及要求

1.1 设计任务

设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将400V高压直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能，并利用Matlab软件的simlink工具对所设计的电路进行仿真。

1.2 设计要求

所设计的电路能将400V高压直流输入变为稳定5V的直流输出，并且电路要具有中间变换环节，即要采用PWM控制，通过桥式电路逆变，然后经过变压器整流输出，得到理想的输出电压。同时，电路还应保证输出电压在扰动干扰下波动小并回到设定值，输出电压的稳态误差在1％以内，且输出响应快速性较好。

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2 主电路工作原理

2.1 主电路基本结构图

系统框图如图1所示，主电路由输入滤波电路、桥式高频逆变电路、高频降压变压器、输出整流及输出滤波电路组成。控制电路包括辅助电源、驱动电路、PWM控制电路、反馈电路、启动及保护电路和故障显示报警电路6部分。

启动及保护电路故障显示报警电路PWM控制驱动直通保护直流电压输入400V输入滤波20khz高频逆变降压变压器整流输出滤波反馈电路直流输出5V

辅助电源启动，停机信号

图1 主电路系统框图

主电路基本结构图如图2所示，高频开关器件T由一对相位互差180°的脉冲控制，交替的通断，产生的方波电压经高频降压变压器及副边二极管整流，滤波后得到所需的直流电压。开关器件采用IGBT，高频降压变压器的铁心采用非晶态合金材料，其高频高导磁性、低损耗性及低激磁功率特性远优于铁氧体铁芯。

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图2 主电路基本结构图

2.2 主电路原理说明

半桥式DC-DC变换器是由Buck基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单，在中小功率上得到广泛应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC变换器的工作原理进行分析。

电容器C1、C2与开关晶体管Tr1、Tr2组成桥,桥的对角线接变压器T原边绕组,故称半桥式变换器。 如果C1?C2,某一开关晶体管导通时,绕组上电压只有电源电压的一半。稳态条件下, C1=C2,当Tr1导通时,C1上的1/3Vs加在原边线圈上,Tr1流过负载电流Ip。电路通过开关管Tr1、原边绕组、电容C2形成回路，此时原边绕组上下两端极性为上正下负，经过占空比所定的时间后,Tr1关断。由于原边绕组存在，Ip方向不变，值逐渐变小，此时B点为负电位，D4导通，反激能量再生，对C2充电。B点连接点的电压在阻尼电阻的作用下以振荡形式最后恢复到原来的中心值。Tr1关闭一段时间后，给Tr2一个触发脉冲，Tr2导通，原边绕组黑点端变负。电路通过电容C1、原边绕组、开关管Tr2形成回路，重复以前过程。不同的是，Ip方向变反，Tr2关断时接点B摆动到正，D3导通，反激能量

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对C1充电。

副边电路的工作如下:当Tr1导通时,副边绕组电压使D1导通,电流通过二极管

D1、电感L、负载R构成回路，当Tr1关断,两个绕组电压变为零。Tr2导通时，D2导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过L和

C3构成的滤波环节产生稳定的输出电压Vo。

当所选的C能达到所需的输出滤波要求时，L可以选的足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，但电容器本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，欲要减小这些纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值。选择电容的类型，经常有纹波电流的大小决定。截止频率fc的高低，LC的大小，都将影响输出纹波电压。在实际设计过程中，选择电感和电容时，要综合考虑其重量、尺寸及成本等因素。从改善动态特性看，可考虑选择小电感，大电容值。

2.3 电路各元件参数计算

在这个小功率变换器中，为了有利于控制性能，而又不引起太多损耗，在原边回路中串联一个电阻，并分别并联上一个电容，选取器参数：

R1?1?10?5?

C1?C2?470?F

系统误差要求1%，纹波电压?Vo?5?1%?2?0.1V，则电容C3的值为：

C?VoD225?0.2Ts??10?8?208?F ?58L?Vo8?6?10?0.1L定义为临界电感，可表示为：

VoVoVo2D2RLc?Ts?D2Ts?toff?(1?D1)

22Io2Io2Pofs式中

1toff－开关管Tr关断时间（s）；fs－开关工作频率（Hz），fs?Lc?D2R0.2?5Ts??0.00005H?50?H 22?1?104Ts；

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取L?1.2Lc，得：

L?1.2Lc?60?H

变压器设计

1Vs?2DV?t2Vo??sonNsnNpTs

式中

Vs--原边绕组电压(V)，Np--原边绕组匝数(匝)； Ns--副边绕组匝数(匝)，D--其中一管导通的占空比?

Ts--工作周期(s)

tonton? Tston?toff1Vs?2DV?tD1?D2?0.8,由Vo?2?sonNs，电路的输入电压VS?400V，输 nNpTs出电压VO?5V，得到：

NpNs?32 1故取原边线圈匝数3200匝 副边两个绕组各取100匝。

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3 控制电路工作原理

3.1 锯齿波形成环节

锯齿波形成环节仿真电路如图3所示

图3 锯齿波形成环节

使用信号发生器输出sawtooth的锯齿波，其幅值为2，频率为20KHz取绝对值，负变正，然后向下平移一个单位得出我们所需要的锯齿波，其波形图如图4所示。

图4 锯齿波波形图

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3.2 脉冲宽度调制电路

PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。PWM控制技术，是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。 本章利用的就是等脉宽PWM法，利用直线与三角波进行比较。

图4 原边开关管的电压和触发脉冲波形

图5 开关触发脉冲

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3.3 调节器

在实际生活中，PID控制器计算出来的控制信号还应该经过一个驱动器后去控制受控对象，而驱动器一般可以近似为一个饱和非线性环节，这是PID控制系统结构。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单

元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。在控制系统中可能存在各种各样的扰动信号。另外，在

实际控制中，用于检测输出信号的仪器也难以避免得存在噪声扰动信号，可以理解成高频率噪声信号，定义成量测噪声。

连续PID控制器的最一般形式为

u?t??Kpe?t??Ki?e???d??Kd0tde?t? dt其中Kp,Ki和Kd分别是对系统误差信号及其积分与微分量的加权，控制器通过这样的加权就可以计算出控制信号，驱动受控对象模型。如果控制器设计得当，控制信号将能使误差按减小的方向变化，达到控制要求。

PID控制的结构简单，另外，这三个加权系数Kp,Ki和Kd都有明显的物理意义：比例控制器直接影响应于当前的误差信号，一旦发生误差信号，则控制器应立即发生作用，以减少偏差。

一般情况下，Kp的值大则偏差将变小，且减小对控制中的负载扰动的敏感度，但也将对测量噪声更敏感。考虑根轨迹分析，Kp无限制的增大闭环系统不稳定；积分控制器对以往的误差信号发生作用，引入积分控制能消除控制中的静态误差，但Ki的值增大可能增加系统的超调量、导致系统振荡，而Ki小则会使得系统响应趋于稳定值的速度减慢；微分控制器对误差的导数，亦即误差的变化率发生作用，又一定的预报功能，能在误差有大的变化趋势时施加合适的控制。

Kd的值增大能加快系统的响应速度，减小调节时间，过大时会因系统噪声或受控对象的大时间延迟出现问题。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

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4 MATLAB/SIMULINK仿真

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

系统仿真电路模块如图6所示：

图6 系统仿真电路模块图

图6 系统仿真电路模块

原边绕组电压，每个开关管都是40%导通，经过脉宽调制电路，逆变得到变压器原边电压，再经过变压器降压逆变，得到副边电压，原边电压、副边电压波形分别如图7、图8所示。

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图7 原边绕组电压

图8 副边电压波形

电路输出电压波形如图9所示

图9电路输出电压波形

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电路输出电压稳态误差波形如图10所示

图10输出电压稳态误差波形图

由图8、图9、图10可计算得：

输出电压超调量

?%?h(tp)?h(?)6.2?5h(?)*100% ?5?100%?24% 输出电压稳态误差

?V?0.003455?0.00069?0.07%

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5 总结与体会

由MATLAB/SIMULINK仿真结果，可以得到电路的输出电压波形的静特性：上升时间为0.0013s，调节时间为0.005s，超调量为24%；稳态性能指标：稳态误差终值为5V，稳态误差为0.07% 。此具有中间变换环节的DC-DC变换器快速性良好、稳态误差小，其各项性能指标均满足系统的设计要求。

此具有中间变换环节的DC-DC变换器，实现了将400V直流电压变换为5V稳定直流电压的功能。变换器结构简单，原边开关管电压降小，在中小功率场合有着广泛的应用。仿真结果表明它满足了各项性能指标要求，具有一定的实用性。但是由于一些参数考虑过于理想化，没有考虑漏磁感、电容内阻等诸多因素的影响，今后还需要在这方面进行更多的研究。

通过这一段时间的毕业设计，从开始任务到图书馆查找资料，到设计电路图，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到了它的重要性。平时上课老师讲的内容感觉都听明白了,但真正到了用的时候却不怎么会用了,经过这次毕业设计才知道,要真正学好一门课程,并不是把每一章的内容搞懂就行了,学习是一个循序渐进的过程，需要前后关联，上下总结。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uht8.html