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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -课程设计说明书课程名称：电力电子课程设计设计题目：Sepic 电路的建模与仿真专 业：电气工程及其自动化班 级：2022 级电气（ 4）班学 号：202230213291 姓 名：禤培正指导老师：郭红霞华南理工高校电力学院2022 年 1 月细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -课程设计任务书1题目Sepic 电路
2、建模、仿真2任务建立 Sepic 电路的方程,编写算法程序,进行仿真,对仿真结果进行分析,合理选取电路中的各元件参数；3要求课程设计说明书采纳A4 纸打印,装订成本；内容包括建立方程、编写程序、仿真结果分析、生成曲线、电路 参数分析、选定；V1=2040V V2=26V I0=0 1A F=50kHZ细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -指导老师评语 ：指导老师：细心整理归纳 精选学习资料 2022
3、 年月日 第 3 页,共 34 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -目录1 Sepic 电路分析 . 1 1.1 Sepic 电路简介 . 1 1.2 原理分析 . 11.3 电力运行状态分析. 22 Sepic 电路各元件的参数挑选 . 72.1 Sepic 电路参数初值. 72.2 电路各元件的参数确定 . 73 掌握策略的设定 . 11 4 Matlab 编程仿真 . 12 4.1 依据状态方程编写Matlab 子程序 . 12 4.2 求
4、解算法的基本思路 . 13 4.3 Matlab 求解 Sepic 电路主程序 . 15 5 通过分析仿真结果合理选取电路参数L1,L 2,C1,C2. 18 5.1 参数 L 1 的确定 . 18 5.2 参数 L 2 的确定 . 20 5.3 参数 C1 的确定 . 21 5.4 参数 C2 的确定 . 22 5.5 采纳校核后的参数仿真. 24 6 采纳 Matlab 分析 Sepic 斩波电路的性能 . 24 6.1 运算电感 L2 的电流 IL2 显现断续的次数. 24 6.2 纹波系数的运算 . 25 6.3 电压调整率 . 25 6.4 负载调整率 . 26 6.5 电路的扰动分
5、析 . 27 7 参考文献 . 30 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书1 Sepic 电路分析1.1 Sepic电路简介Sepic斩波电路是开关电源六种基本DC/DC 变换拓扑之一, 是一种答应输出电压大于、小于或者等于输入电压的 DC/DC 斩波电路；其输出电压由主控开关三极管或 MOS 管的占空比掌握； SEPIC 变换器是
6、一种四阶非线性系统 , 因具有可升降压、同极性输出、输入电流脉动小、输出易于扩展等特点 , 而广泛应用于升降压型直流变换电路和功率因数校正电路；这种电路最大的好处是输入输出同极性；特别适合于电池供电的应用场合,答应电池电压高于或者小于所需要的输入电压；比如一块锂电池的电压为 3V 4.2V,假如负载需要 3.3V,那么 Sepic电路可以实现这种转换； 另外一个好处是输入输出的隔离,通过主回路上的电容C1 实现；同时具备完全关断功能,当开关管关闭时,输出电压为 0V；1.2 原理分析Sepic斩波电路的原理图如图1 所示；由可控开关Q、储能电感 L1、L2 二极管 D、储能电容 C1、滤波电容
7、 C2、负载电阻 R 和掌握电路等组成；V 11iL 1Dici1C 1L2D2V 2RQvDSC2i图 1、 Sepic 斩波电路的原理图Sepic斩波电路的基本工作原理是：当开关管Q 受掌握电路的脉冲信号触发而导通时, V1L1Q 回路 C1QL2回路同时导通, L1 和 L2 储能；V 处于断态 时, V1L1C1D负载（ C2和 R）回路及 L2D负载回路同时导通,此阶段 V1和 L1 既向负载供电,同时也向 L2 转移；C1充电, C1储存的能量在 Q 处于通态时向- 1 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 34
8、 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：V 2tonV 1TtononV 11V 1（1）tofft图 2、SPEIC 的开关波形（ VQ1Q1 漏源电压）1.3 电力运行状态分析对于抱负情形下的电路分析,储能电感L1、L2 足够大,其时间常数远大于开关的周期,流过储能电感的电流I L 可近似认为是线性的；电容C1、C2 也足够大,能够维护两端电压恒定；此外,开关管 分析电路图可以得到：1.3.1
9、Q 开通时电路运行分析Q 及二极管都具有抱负的开关特性；MOSFET 开通时的等效电路如图 2 所示：- 2 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书V 11iL 1ci1C 1L2C2ci2RV 22i图 3、Q 开通时的等效电路图 Q 开通时,输入电源 V1对 L1充电,储能电容 C1对 L2充电,电容 C2 维护着 负载 R
10、的两端电压；此时有V L1V 1（2）V L2V C1iC1I2iC2V 2R1.3.2 Q 关断时电路运行分析 MOSFET 关断时的等效电路如图 2 所示：1i 1L ci 1 C 1 D 1iV 1L2C2V 2R2i图 4、Q 关断时的等效电路图Q 关断后,充在电感 L1 上的电荷对电容 二极管 D 对负载放电；此时有- 3 - C1放电,充在电感 L2 上的电荷通过细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - -
11、- - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书V 1VL1V C1V20V2的关系（3）V L2V 2iC1I1iC2I1I2V 2R1.3.3 输入直流电压 V1和输出直流电压稳态时,一个周期T 内电感 L 两端电压 UL 对时间的积分为零,即T0 u dt 0（4）当 Q 处于通态时, 电感 L1、L2 两端的电压分别为 V 、V C 1,当 Q 处于关断时,电感 L1、L2 两端的电压分别为 V 1 V C 1 V 、V ；将数据代入式 4 得：t V on 1 t off V 1 V 2 V C 1 0t V on C 1 t off V 2 0（5）
12、V 2 t on V 1 V 1求解得：t off 1（6）V C 1 V 1稳态时,电容 C 的电流在一个周期 的积分为零,即T 内的平均值应为零,也就是其对时间T0 ci dt 0（7）当 Q 处于通态时,流过电容 C1、C2的电流分别为 2I 、V 2,当 Q 处于关R断时,流过电容 C1、C2 的电流分别为 1I 、I 1 I 2 V 2；将数据代入式 7 得：R- 4 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - -
13、- - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书tonI2toffI10（8）V2 的tonV 2toffI1I2V 20RRI111V 2（9）R求解得：I2V 2RV ,所以 可通过掌握占空比的大小来掌握输出电压由式 6 知,V2大小；即当 tont off 时,0.5, V2t off 时,0.5, V2V1,电路属于升压式；1.3.4 电路的状态方程由图 2、3 可知,等效电路与开关Q 的状态有关,所以Sepic斩波电路可分为 Q 通态和 Q 断态两个状态来分析；1）当 Q 处于通态,系统的微分方程组如下所示diL11V 1（10）dtL 1di
14、L2V C 1dtL2dV CiL2dt2C 1dV CVC2dtRC 22）当 Q 处于断态,系统的微分方程组如下所示- 5 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书diL1V 1V C22V C1（11）dtL 1V C2diL2V C2dtL 2dV C 1iL 1dtC 1dV C2iL1iLdtC 2RC 23）当 Q 处
15、于断态时,充在电感L1 上的电荷对电容 C1 放电,充在电感 L2上的电荷通过二极管 D 对负载放电,即此过程有可能会显现电感电流的断续；由于电感 L1 直接与电源相连, 故一般来说 L1 的电流不会显现断续现象, 下面主要争论电感 L2 显现断续后,微分方程组的变化；电感L2 断续后,即Li20,此时微分方程组如下所示：diL1V 1V C2V C1,Y3V C1,Y4V C2（12）dtL 1V C20L2dV C 1iL1dtC 1dV C2iL1V C22,将其代入式 10、11,合并dtC 2RC 2设Y1iL1,Y2iL后如下：- 6 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - -
16、 - - - - - - - - - - - 第 10 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书Y. 3Y4 /L 1u Y 3Y4 /L 1V 1/L 1C2（13）1Y.Y4 /L 2u Y 3Y4 /L2u Y 1Y2 /2.3YY1/C 1u Y 1Y2 /C 1.4Y 1Y2 /C2Y4 / RC 2其中, u=1 表示 Q 处于导通状态, u=0 表示 Q 处于关断状态；此外, u=0 同时令Y20,即表示 Q 关断时
17、电感 L2 的电流显现断续时的状态；2 Sepic 电路各元件的参数挑选2.1 Sepic电路参数初值题目中给定, 输入电压 V1=2040V,输出电压 V2=26V,负载电流 I0=0 1A,开关管 Q 的掌握端的信号频率F=50kHZ,即周期 T=2*10-5s；为了简化电路运算,更好地描述电路运行状态,现作如下假设：（1）电源电压为 40V 时为最差状态；（2）电路能达到满载电流 1A；（3）忽视开关管的正向导通压降和二极管的正向压降；（4）忽视线路电阻和电磁振荡所造成的能量损耗；2.2 电路各元件的参数确定2.2.1 负载电阻 RL的确定 负载电阻 RL 按式 14 确定R LV 2（
18、14）Io求得负载电阻 RL=26.2.2.2 电感 L1、L 2 的确定 SPEIC 使用两个电感 L1和 L2,这两个电感可以绕在同一个磁芯上,由于在整个开关周期内加在它们上面的电压是一样的；使用耦合电感比起使用两个独立的电感可以节约 PCB 的空间并且可以降低成本；- 7 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书确定电感的一
19、个好规章就是, 在最小输入电压下, 使得纹波电流峰峰值大约等于最大输入电流的40%；在数值相同的电感L1 和 L2 中流淌的纹波电流由下面公式算出 : ILIin40%IoutV out40%12640%A0.52AV inmin20电感由 15 式求得L 1L2LV inminmax2026mH0.435 mH（15）ILf0.52 502620f 为开关频率, max 是最小 Vin时的占空比； 维护电感发挥作用的电感峰值电流仍 没有饱和,可由下式运算IL 1peakIoutV out（1+40%）=1.56A22L 代替；V inminIL2peakIout（1+40%）=1.2A2假如
20、 L1 和 L2 绕在同一个磁芯上,由于互感作用上式中的电感值就可用电感值可这样运算 L 1L2L2V inminfmax2205026mH0.218mH2IL0.5226202.2.3 储能电容 C1的确定储能电容 C1 的挑选主要看 RMS 电流（有效电流）,可由下式得出IC1IoutV outSEPIC 特V inminSEPIC 电容必需能够承担跟输出功率有关的有效电流；这种特性使别适用于流过电容的有效电流 （跟电容技术有关） 相对较小的小功率应用； SEPIC电容的电压额定值必需大于最大输入电压；算C1 的纹波电压的峰峰值可以这样计- 8 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - -
21、- - - - - - - - - - - - 第 12 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书取V C 1=0.4V 得V C1Ioutmax（16）C 1fC =28.261uF；满意需要的有效电流的电容在C1上一般不会产生太大的纹波电压,因此峰值电压通常接近输入电压；2.2.4 滤波电容 C2的确定在 SEPIC中,当电源开关 Q1 打开时,电感充电,输出电流由输出电容供应；因此输出电容会显现很大的纹波电流；电流；输出电容
22、上的有效电流是选定的输出电容必需能够供应最大的有效ICoutRMSIOUTV OUT126A1.140AV INmin20图 5、输出纹波电压ESR、ESL 和大容量的输出电容直接掌握输出纹波；如图 跟 ESR有关,另外一半跟容量有关,因此4 所示,假设一半纹波ESRIL 1V rippleI0.50.2 260.50.94217 peakL2peak 2.76C2IOUTV ripple0.5f输出电容必需满意有效电流、ESR和容量的需求；取纹波电压为 2%的输出电压C 2V rippleIoutfmax0.0226126F43.480F3 0.5 50 10460.52.2.5 输出二极体
23、的挑选- 9 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书挑选能够承担峰值电流和反向电压的二极体；在SPEIC 中,二极体的峰值电流跟开关的峰值电流 IQ1peak相同；二极体必需承担的最小反向峰值电压是VRD1=Vin+Vout=66V（18）跟升压转换器相像, 二极体的平均电流跟输出电流相同；二极体的功耗等于输出电流乘以二极体的正
24、向压降；为了提高效率建议使用肖特基二极体；2.2.6 功率 MOSFET 的挑选最小阈值电压 Vth（min）、导通电阻 RDSON、栅漏电荷 QGD 和最大漏源电压 VDS（max）是挑选 MOSFET 的关键参数； 规律电平或子规律电平阈值 MOSFET 应当根据栅极电压使用；峰值开关电压等于VinVout；峰值开关电流由下式运算IQ1peakIL1peakIL2peak2.76A19流过开关的 RMS电流由下式给出IQ1RMSIOUT V OUTV INminV OUT7.733A20V INminMOSFET 的散耗功率 PQ1 大致是P Q1I2Q 1RMSR DS ONmax V
25、INminVOUTIQ1peakQ GDf21 IGATEPQ1,MOSFET 总的功耗包括导通损耗（上式第一项）和开关损耗（上式第二项）；IGATE 为栅极驱动电流；RDSON值应当选最大工作结温时的值,一般在MOSFET 资料手册中给出；要确保导通损耗加上开关损耗不会超过封装的额定值 或者超过散热设备的极限；2.2.7 编程运算所需参数 在下面编程运算过程中,所需的电路参数如表 1 所示：表 1、 Sepic 斩波电路各元件参数值电路负载电阻电感 L1电感 L2电容 C1 电容 C2 频率 F元件（）（mH）（mH） F F （kHZ）数值26 0.435 0.435 50 28.261
26、43.480 - 10 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书3 掌握策略的设定由V 2tonV 11V 1知 ,V22, 由 于 V2=26V, V1=2040V, 即有toffV 1V=0.3940.565；V1 初值为 40V,即占空比的初值为 0.394. 由于输入不稳固, 要想得到稳固的输出, 需要对占空比 拟定相应的
27、掌握策略；本例采纳的掌握策略为： 在每一次循环的结尾处对占空比 d（i）作肯定的调整,满意下式d i 1 d i k 26 uo i（22）其中, k 取 0.00003, uo i 为每次运算后的输出电压 V2,26 为抱负输出电压；当 uo i 26时 , k 26 uo i 0 ,即对占空比进行正向的调整,占空比增大,由式 uo i 1 V 可知,输出的 uo i 增大,即缩小与 26 的差距；11d i反之,当 uo i 26时 , k 26 uo i 0 ,即对占空比进行负向的调整,占空比减小,输出的 uo i 也变小,使输出靠近 26；由上面分析可知, 只要 k 取值足够小,循环次
28、数n 足够大, 可以使输出电压uo i 稳固在 26V 邻近；虽然 k 的取值越小,精度越高,但是 k 取值变小的同时也要求迭代次数 n 变大,否就迭代 n 次后仍没有收敛终止；另一方面,迭代次数n 的增大使得程序运行时间变长,本例挑选 的时间约为 5s；k=0.00003,n=2500,程序运行一次依据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路可有三种掌握方式：1）保持开关周期 T 不变,调剂开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制；2）保持开关导通时间ton 不变,转变开关周期T,称为频率调制；3）ton 和 T 都可调,使占空比转变,称为混合型；依据题目要求,开关频率F 固定为 50kHZ
29、,故应实行第一种掌握方式；- 11 - 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页,共 34 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 课 程 设 计 说 明 书4 Matlab 编程仿真在电力电子技术教学中 , 通常利用 Power Point,Authorw are,VB,Flash 等软件帮助教学 , 这些软件虽然可以供应一些比较生动的动画和波形 , 但其并非仿真软件 , 关于电力电子器件的物理概念不突出 ,
30、 且应用敏捷性较差；EWB、PSpice、Protel、Matlab、SA-BER、PLECS 等专用软件表达了很好的敏捷性 , 能够很好地满意教学要求；在这些软件中,敏捷,被广泛应用于电力电子技术教学中；Matlab/Simulink 软件构建仿真系统较 PLECS 软件能为系统级电路仿真提供一个与 Simulink 模型完全无缝的结合, 在电力电子系统和电力驱动器的模拟上 可以进行简化,其仿真速度快,开关转换抱负化,稳固性好；因此 ,Matlab 和 PLECS 软件相结合进行电力电子系统仿真是一种非常抱负的挑选；下面采纳 Matlab 对 Sepic进行仿真运算并分析仿真结果；4.1 依据状态方程编写 Matlab 子程序依据上述的电路分析可知, 电路可能显现三种状态, 每一种状态对应着不同的微分方程组；依据综合后的微分方程式 态的子函数；综合后的微分方程所下所示13,可建立对应于电路的三种工作状Y.1 3Y4 /