1直流斩波电路的建模与仿真

1、基于MATLAB的升压降压式变换器的仿真一、摘要直流斩波电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，也称 DC/VC变换。使用直流斩波技术，不仅可以实现调压功能，而且还可以达到改善 网侧谐波和提高功率因素的目的。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要 调节直流电压的场合。直流斩波包括降压斩波电路、升压斩波电路和升降压斩波电路。而利用升压 降压变换器，既可以实现升压，也可以实现降压。二、设计目的通过对升压-降压(Boost-Buck )式变换器电路理论的分析，建立基于 Simulink 的升压-降压式变换器的仿真模型，运用绝缘栅双极晶体管(IGBT)对升压-降 压进行控制，并对工作情况进行

2、仿真分析与研究。通过仿真分析也验证所建模型 的正确性。三、设计原理升压-降压式变换器电路 图如右图所示。设电路中电感L值很大，电容C值也很大，使电感电流iL和电容电压Uo基本为恒值。设计原理是：当可控开关V出于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为h，方向如图1-1中所示。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中贮存的能量向负载释放，电流为i2， 方向如图1-1中所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反， 因此该电路也称作反极性斩波电路。稳定时，一个周期T内电感L两端电压u L对时间的积分为零Tu Ldt = 00 L当V处于通态期间

3、时，UL =E ；而当V处于端态期间时，UL二u。于是，Eton二5切，所以输出电压为：taU=ifEE其中B =1- a,若改变导通比a，则输出电压既可以比电源电压高，也可以 比电源电压低。当0<a <0.5时为降压，当0.5< a <1时为升压，如此可以实现升 压-降压的变换，该电路称作升降压斩波电路即升降压变换器。L -L'LQ图中给出了电源电流i1和负载电流I 1tonI 2toffi2的波形，设两者的平均值分别为11和12 当电流脉动足够小时，有可得如下t0ffPI 2 h = 11 ton如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则：EI 1 = U0I2

4、，其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器四、详细设计步骤3、在MATLAB的Simulink下画出仿真模型。打开Power System工具箱中的电力电子模块组，分别复制一个IGBT模块、 二极管Diode模块到模型中。打开IGBT对话框,按照默认值设置相关参数,并取 消内部缓冲电路,即RS=inf、CS=0打开电源模块,复制一个直流电压源模块 Us,电压源Us=100V打开组件和接地模块组,复制一个串联RLC组件模块和一个并联RLC原件模 块以及接地模块到模型窗口中打开参数设置对话框 ，要将串联的RLC电路改单 个L原件，设置参数为R=0 L=5mH C=inf。将并联的RLC原件模

5、块改成并联的 RC模块，设置参数为R=50 L=inf、C=3e-6从Simulink信号与系统模块组中复制一个具有两个输出信号的分离器 ，输 入端连接到IGBT的m端（用于IGBT电流和电压的测量）,一个输出端接到示波 器Scope的输入端上。从Simulink输入源模块组中复制一个脉冲发生器模型模型窗口中，命名为Pulse并将其输出接到IGBT的门极上。从连接器模块组中复制两个 T连接器到仿真模型窗口中，作为多组件连接 的节点。则仿真电路图如下五、仿真打开仿真参数窗口 ,选择ode23tb算法,相对误差设置为1e-03,开始仿真时 间设置为0,停止仿真时间设置为0.002s打开脉冲发生器窗

6、口，参数设置：幅值=10,周期=0.0001，占空比分别为30%、50%、75%。通过示波器可以得出在不同的占空比下，IGBT的电流值，电感的电流值以 及负载的电压值，波形图如下。其中，Ic为IGBT电流，II为电感电流，V为负 载电压1、当占空比为30%时，以下分别为Ic、V、II的值502、以下为占空比为50%时lc、V、II的值offset 0.0D1*10120W0BO604020020002040.60.311.21.41.6182ne crflset: 口” £| ?3、以下为占空比为75%时lc、V、II的值020.60.811.82140420Toffset: 0K

7、10六，仿真结果分析：分析仿真结果可得：在改变占空比一一既导通角a是，就可相应地改变负载 的电压值。当0< a <0.5时为降压，当0.5< a <1时为升压仿真中，当a = 0.3时输出电压比电源电压低，仿真得到的负载电压在示波 器显示中数值在40V时保持稳定，达到了降压的效果，当 a =0.5时负载电压在 示波器显示中数值稳定在 100V,贝抑电源电压一样，此时电路既没有升压也没 有降压，而当a =0.75时，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在220V时保持稳定，达到了升压的效果。所以，该电路及仿真模型能够实现升压-降压的变换。六、在建立仿真模型和仿真过程中遇到

8、的问题及解决方法在建立仿真模型电路时，遇到了不少的问题1、在Simulink中找不到单个的电感L和并联RC电路。解决方法：在通过查阅MATLAB用技术在这本书后，发现可以将串 联的RLC电路原件改成单个的R原件、单个的L原件和单个的C原件。而 并联的RLC电路也可改成任何的两个要原件的并联电路。将串联的 RLC 电路原件改成单个L原件的方法为修改其参数，设定 R=0, C=inf。将并 联RLC电路原件改成并联RC电路也是设定参数，设定L=inf。2、 为了测定二极管的电流，但是在 Simulink中能找到的二极管Diode少了 一个引脚，在电力电子技术书中说 GTOffi二极管参数基本相同，

9、于是 我用GTOf弋替二极管Diode,可是在仿真的时候出现错误。解决方法：在通过李老师的讲解后，明白此处不能用 GTQ因为此处没有 GTO的触发电路，GTQ没能导通，还是要用二极管 Diode，但不用测二极 管电流，所以Simulink中找到的二极管Diode符合要求。3、在模型建立正确的基础上，仿真时不能得到正确的波形解决方法：通过分析，真是参数没有设定对的原因，于是在网上搜索了关 于该模型的相关参数设定后，还是没有得到正确的结果。在经过李老师的 详细讲解过后，了解了相关参数设定的大致范围。其中并联 RC电路中得 C应该很小，经过多次尝试后，将 C=3e改为C=3e-6,将停止仿真时间设

10、置由0.0015改为0.002s,而脉冲周期由原来的 0.00001改为0.0001七、总结通过以上的仿真过程分析 , 可以得到下列结论。本文利用 Simulink 对降压 斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析,与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较, 进一步验证 了仿真结果的正确性 。采用 Matlab/Simulink 对直流斩波电路进行仿真分析 , 避免了常规分析方法中繁琐的 绘图和计算过程 , 得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。应用 Matlab/Simulink 进行仿真 ,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数 , 并且能直观地 观察到仿真结果随参数的变化

11、情况 , 适合电力电子技术的教学和研究工作。本文在对升压-降压式变换电路理论分析的基础上，利用MATLA面向对象的 设计思想和电气组件的仿真系统， 建立了基于 Simulink 的升压 - 降压式变换电路 的仿真模型，并对其进行了仿真研究。在对升压 -降压式变换器电路电压或升或 降时的工作情况进行仿真分析的基础上， 验证了当脉冲发生器导通比a处在不同 的数值时，将影响输出电压。 当当0<a <0.5时为降压，当0.5< a <1时为升压， 通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。通过仿真和分析，可知升压-降压式变换器电路的输出电压受导通比 a的影 响，文中应用MATL

12、A的可视化仿真工具simulink对升压-降压式变换器电路的 仿真结果进行了详细分析， 并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出 电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用MATLASimulink对升压-降压式变换器电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和 计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用MATLASimulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察 到仿真结果随参数的变化情况。应用 MATLA对变换器电路仿真研究时，可以通 过判断设置出不同导通比时产生的波形现象， 为分析合适的输出电压提供了较好 的基础，是一种值得

13、进一步应用推广的功能强大的仿真软件， 同进也是电力电子 技术实验较好辅助工具。电力电子变流技术是利用电力电子器件及其相关电路进行电能变换的科学 技术，电压、电流的变换包含其中。 而电力电子器件又是电力电子变流技术的核 心，也是自动化和电气工程专业的基础知识，具有重要的作用。而在电压、电流 的变换电路中，包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种组件，采用常规电路分析 方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。MATLAB供的可视化仿真工具 Simulink 可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到 任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用 Simulink 对 升

14、压-降压式变换电路进行建模，在不同导通比的情况下进行了仿真分析，既进 一步加深了升压 -降压式变换电路的理论，同时也为现代电力电子的更好的掌握 奠定良好的实验基础。七、体会在科学研究和工程应用中， 为了克服一般语言对大量的数学运算， 尤其当涉 及矩阵运算时编制程序复杂、调试麻烦等困难，应运而生了MATLA编程运算的软件，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分析、振动理论、优化设计、时 序分析和系统建模等领域都能得到很好的处理效果。而且在MATLA中，可以直接在 Simulink 环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域，所涉及的内容专业性极强。本文在对升压

15、 -降压式变换电 路理论分析的基础上，利用MATLA面向对象的设计思想和电气组件的仿真系统， 建立了基于 Simulink 的升压-降压式变换电路的仿真模型， 并对其进行了仿真研 究。在对升压 - 降压式变换器电路电压或升或降时的工作情况进行仿真分析的基 础上，验证了当脉冲发生器导通比a处在不同的数值时，将影响输出电压。进一 步验证了 MATLAB Simulink 仿真功能的强大。通过这次专业方向课程设计， 我了解到了电力电子变流技术在实际生活中的 重要作用，并且通过实际运用 Matlab 仿真软件建立电力电子功能电路模型实现 功能的仿真，对常用的功率电力二极管、晶闸管、全控型器件可关断晶闸管、绝 缘栅极双极型晶体管等电力电子器件在 MATLAB的实现以及电力电子中几种常 用到的变换器与仿真实现过程有了实际的体验。经过这次设计，我更加深刻的了解到直流斩波电路的功能及其在现实中的运用。直流斩波也称作直流-直流变换器(DC/DC Converter)，一般是指直接将直 流电变为另一直流电的情况， 而不包括直流 -交流-直流的情况，纠正了以前的错 误认识。而直流变换器主要分为降压、 升压、升降压、Cuk、Sepic和zeta电路, 其中降压和升压是最基本的电路， 可以帮助理解其他的电路。 让我又一次认识到 掌握了最基