(完整word版)电力电子课程设计_Boost电路2

1、课程设计说明书课程名称：电力电子课程设计设计题目：Boost电路的建模与仿真专业：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：指导教师：华南理工大学电力学院二一五年 一 月1目录引言课程设计任务书3第一章电路原理分析4第二章电路状态方程52.1当 V 处于通态时52.2当 V 处于断态时5第三章电路参数的选择63.1占空比的选择63.2电感 L 的选择63.3电容 C 的选择73.4负载电阻R 的选择7第四章电路控制策略的选择84.1 电压闭环控制策略84.2直接改占空比控制输出电压8第五章MATLAB 编程95.1定义状态函数95.2主程序的编写95.3运行结果12第六章Simulink仿真166.

2、1电路模型的搭建166.2仿真结果16第七章结果分析18参考文献19- 2 -引言课程设计任务书题目Boost 电路建模、仿真任务建立 Boost 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。要求课程设计说明书采用 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=20V±10%V2=40VI0=0 1AF=50kHZ- 3 -第一章电路原理分析Boost 电路，即升压斩波电路 （ Boost Chopper），其电路图如图 11所示。电路中 V为一个全控型器件，且假设电路中电感L 值很大，

3、电容 C值也很大。当V 处于通态时，电源E（电压大小为 V1 ）向电感 L 充电，电流 i L 流过电感线圈L，电流近似线性增加，电能以感性的形式储存在电感线圈L 中。此时二极管承受反压，处于截断状态。同时电容C 放电， C 上的电压向负载R 供电， R 上流过电流 I 0 R两端为输出电压 U 0 （负载 R两端电压为 V2 ），极性为上正下负，且由于C值很大，故负载两端电压基本保持为恒值。当V处于断态时，由于线圈L 中的磁场将改变线圈 L 两端的电压极性，以保持i L 不变，这样 E和 L 串联，以高于 U 0 电压向电容 C 充电、向负载 R 供电。下图 12为 V 触发电流和输出负载电

4、流的波形，图 13为电感充放电电流的波形。图 21- 4 -第二章电路状态方程为了方便后面 MATLAB程序的编写，此文中选取电感电流i L 和电容电压 V2 为两个状态变量，建立状态方程。2.1当 V 处于通态时电源 E 对 L 充电，设电感电流初值为I L0 ，即由 VLdi LV1LV1 dtV1 t I L0dt可得 L 电流为： iLLLV1 ton设通态时间为 ton ，则 tton 时 L 电流达到最大， iL.maxI L0（式 21）L同时，电容 C向负载供电，其电流为：icdV 2V 2CRdt电路状态方程如下：di LVLV1dtLLdV2V2dtCR2.2当 V 处于断

5、态时电源和电感 L 同时向负载 R供电， L 电流的初始值则为V 处于通态的终值 iL .max ，由 VL L di LV1V2 可得： iLV1V2 dtV1LV2 tiL .max（式 22）dtL设断态时间为 toff，则 t toff 时 L 电流将下降到极小值，即为IL0，故由（式 22）得： I L 0V1 V2 toffiL .max ， 于是得到 V1 (tontoff )V2t off 。L令 Tton t off，并设占空比ton，升压比为T，其倒数为toffT，toffT则 V1 与 V2 的关系可表示为： V21 V1（式 23）1，故 V21由此式可见，V1 ，则达

6、到电压升高的目的。电路状态方程如下：di LV1V2dtLdV2i L RV2dtRC- 5 -第三章电路参数的选择3.1 占空比的选择由（式 23）可得：V2 V1 ，其中 V1=12V± 10% ， V2=24VV2故可得： 0.450.553.2电感 L 的选择在该电路中， 前面已经假设电感 L 的值必须足够大， 在实际中即要求电感有一个极限最小值 Lmin ，若 L<Lmin ，将导致电感电流断续，并引起 MOSFET元件 V 和续流二极管 VD以及电感 L 两端的电压波形出现台阶，如图 31 所示。这种情况将导致输出电压纹波增大、电压调整率变差，为防止此不良情况的出现

7、，电感 L 需满足下式要求：L 1.3Lmin（式）3 1根据临界电感 Lmin 的定义可知，当储能电感 LLmin 时， V 导通时，通过电感的电流 i L 都是从零（即 I L 0 0 ）近似线性增加至其峰值电流iL max ，而 V 截止期间，i L 由 iL max 下降到零。在此情况时， i L 刚好处在间断与连续的边缘， 而且 MOSFET、二极管和电感两端电压的波形也刚好不会出现台阶，此时电感电流 iL 的平均值 I L正好是其峰值电流 iL max 的一半。即I L 1iL max（式 32）2V2V1且此时有 I L0 0 ， L Lmin ，代入（式 23）得： iL.ma

8、xtoff （式 33）Lmin由（式 32）和（式 33）得： I L 1V2 V1toff（式 34）2Lmin根据电荷守恒定律， 电路处于稳定状态时， 电感 L 在 V 截止期间所释放的总电荷量等于负载在一个周期 T 内所获得的电荷总量，即I L toffI 0T（式）3 5由（式 3 4）和（式 35）得：- 6 -2(V2V1 )T12(V2 V1 )T V12(V2 V1)t off/ V2（式 36）Lmin2TI 02I 02TI 00 0.5A，已知数据 V =24V，T 1/f0.02ms，并取 V =12V， I21代入（式 36）得： Lmin60H故由（式 31）得：

9、 L1. 3L78Hmin3.3电容 C的选择在该电路中，当V 截止、 VD导通时，电容 C 充电， V2 上升，此时流过二极管 VD的电流iD等于电感L的电流i L。设流过C的电流为iC，流过R的电流为（此i2处将其近似看成一周期内的平均值为I 0 ），则 iC iDi2i L I 0（式 37）由（式 37）与（式 22）得： iC V1V2 tiL maxI 0L通过 iC 求出 toff 期间 C 充电电压的增量，就可得到输出脉动电压峰峰值U1 toffiC dt1 t off(V1V2 t i L maxI 0 )dtC 0C 0L1 (i L maxI 0 )toffV1V2 to

10、ff2 C2L由于此过程中负载电流可看成线性变化， 且认为电容并且到 ttoff 时电感 L 电流刚好下降为0，故i L maxV2 toffL2（式 38）C的电压由 0 开始上升，（式 39）I 0toffI L0iL .max V2toff（式 310）T22LT将（式 3 9）和（式 310）代入（式 38）并整理得：toff2(V1V2TV2 ) toff(1)2T 2(V1V2 )V12T2C2LU2L U2LU（式 311）V2已知 V1=12V， V2 =24V，取U1%U20. 12V，则由（式 311）得：当取 L300H时，C33.33F当取 L500H时，C20F当取

11、L1000H时，C10F3.4负载电阻 R 的选择根据公式 RV2可得： R24120I 00. 5- 7 -第四章电路控制策略的选择4.1 电压闭环控制策略在前面提到电容 C假设为很大的值， 但由于实际上 C不可能无穷大， 所以输出电压会在一定范围内波动， 为使输出电压稳定在一个较为理想的范围内， 通过测量输出端的电压， 与电压给定值比较， 得到误差，再经过 PI 调节器，送到 PWM 脉冲发生器的输入端， 利用 PWM的输出脉冲来控制功率管的导通和关断。 当输出电压 V0 大于给点值 Vref 时， (V0-Vref ) 增大，从而 PWM脉冲的占空比 D 增大 ，由 V0=V1/(1-

12、) 可知， V0 减小，从而控制 V0 保持不变。控制流程图如下：图 4-14.2直接改占空比控制输出电压假设某次计算中占空比为k ，对应的输出电压为 V2 k ；而理想的输出为 V2E ，对应的占空比为E ，则有： V2 k1， V2E1V1V11 k1 E由此可得：V2k 1kE1V2E因此每隔一定时间根据输出电压的变化利用上式计算出新的占空比， 这样就能使电压逐步逼近并稳定在期望值附近。故电路的控制策略如下：首先计算出电路的时间常数，由此来确定改变占空比的频率，在每个调整点测量电路的实际输出电压，利用公式E1V2k 1k计算得出新的占空比，V2 E从而调整电路输出电压。- 8 -第五章M

13、ATLAB 编程5.1定义状态函数a) V 导通时电感的电流和电容电压的状态方程di LV1 ， dV2V2dtLdtRC定义函数如下： functiony=funon(t,x)globalV1RCL;y=V1/L;-x(2)/(R*C);b) V 关断时电感的电流和电容电压的状态方程di LV1 V2 ， dV2 iL R V2dtLdtRC定义函数如下： functiony=funoff(t,x)globalV1RCL;y=( V1-x(2)/L;(x(1)*R-x(2)/(R*C);c) V 关断且电感电流出现不连续时的状态方程di LdV2V2dt0 ，RCdt定义函数如下： func

14、tiony=funoffdiscon(t,x)globalV1RCL;y=0;-x(2)/(R*C);5.2主程序的编写clear;%清除工作空间globalV1 R C L%定义全局变量L=300e-6;%输入电感 L的值C=33.33e-6;%输入电容 C的值R=120;%输入电阻 R的值f=50000;%输入频率 f 的值- 9 -T=1/f;%输入周期 T的值n=3;m=2000%定义迭代计算的轮数（3 ）和每轮的计算周期数（2000 ）t01=zeros(m,1);t02=zeros(n,1);x10=0,0;%设定电感电流和输出电压的迭代初值a=1/2;%初始占空比V1=12%电路

15、输入电压tt=,xx=forj=1:nton=T*a%三极管开通时间toff=(1-a)*T%三极管关断时间t02(j)=(j-1)*m*T%用于记录迭代过的总周期数fori=1:mt01(i)=(i-1)*T;%用于记录每一轮中已迭代周期数t,x1=ode45('funon',linspace(0,ton,6),x10);%调用函数求解三极管导通时的状态方程tt=tt;t+t01(i)+t02(j);%用于记录已迭代的总周期数xx=xx;x1;%用于记录已求得的各组电感电流和输出电压值x20=x1(end,:);%将最后一组数据作为下一时刻的初值t,x2=ode45('

16、;funoff',linspace(0,toff,6),x20);%调用函数求解三极管截止时的状态方程ifx2(end,1)<0%此时电感电流出现断续forb=1:length(x2)%此循环检验从哪个时刻开始电感电流降为0ifx2(b,1)<0c=b;break,endendnn mm=size(x2);toff1=toff*(c-1.5)/(nn-1);%电感电流大于 0 的时间段-10-toff2=toff-toff1;%电感电流降为0 ，即出现断续的时间段t1,x21=ode45('funoff',linspace(0,toff1,6),x20);%

17、调用函数求解三极管截止时且电感电流大于0 时间段的状态方程x21(end,1)=0;t2,x22=ode45('funoffdiscon',linspace(0,toff2,6),x21(end,:);%调用函数求解三极管截止时且电感电流出现断续时间段的状态方程 t=t1;t2+toff1;x2=x21;x22;endx10=x2(end,:);tt=tt;t+t01(i)+t02(j)+ton;xx=xx;x2;endVav=(x10(2)+x20(2)/2%求输出电压的平均值a=(40+Vav*a-Vav)/40 %根据输出电压平均值调整占空比 endfigure(1);a

18、xis(0,0.12,0,1);plot(tt,xx(:,1);%绘制电感电流波形title(' 电感电流波形 ' );xlabel(' 时间 t( 单位： s)');ylabel(' 电感电流 iL(单位： A)');figure(2);axis(0,0.12,0,30);plot(tt,xx(:,2);%绘制输出电压波形title(' 输出电压波形 ' );xlabel(' 时间 t( 单位： s)');ylabel(' 输出电压 U2( 单位： V)')v1=Vav*1.05;v2=Vav*0

19、.95;%计算调节时间i1=Ilav*1.05;i2=Ilav*0.95;fork = 1:72774forp=k:k+30-11-if(xx(p,1)>i1) | (xx(p,1)<i2)biaozhi=0;break;end ;biaozhi = 1;end ;ifbiaozhi =1 ,its =k*0.12/72774;break; end ;end ;k=1;ifbiaozhi = 0,its =inf;endfork = 1:72774forp=k:k+30if(xx(p,2)>v1) | (xx(p,2)<v2)biaozhi=0;break;end ;b

20、iaozhi = 1;end ;ifbiaozhi =1 ,vts =k*0.12/72774;break; end ;enddisp(' 输出电压调节时间' ),vtsdisp(' 电感电流调节时间' ),its5.3运行结果取 V1=12V， a=0.5 ，R=100欧，并依据上面 3.3 中的计算结果，取不同的电感值和电容值进行仿真，比较输出波形，对电路参数进行优化。a) 取 L300 H ， C 33.33 F输出电压 V2 的波形如下：-12-电感电流 i L 的波形如下：-13-b)取L500H，C20F输出电压 V2 的波形如下：电感电流i L 的

21、波形如下：-14-c)取L1000H ，C10 F输出电压 V2 的波形如下：电感电流i L 的波形如下：-15-第六章Simulink仿真利用 MATLAB的 Simulink 模块对 boost 电路进行仿真，由于 Simulink 提供了模块化的元件， 只要将构成 boost 电路的各个元件连接起来便可以搭建 boost 电路模型， 对元件设定适当的参数后，对电路进行仿真，同时用示波器观察电路响应、分析电路特性。6.1电路模型的搭建电路模型如下所示：图 6-16.2仿真结果对上面 5.3 中的各组数据进行 Simulink 仿真，并利用示波器输出结果，各组波形图如下（注：上图为输出电压波形，下图为电感电流波形） 。a) 取 L300 H，C33.33 F ， R 120-16-b) 取 L500 H，C20 F， R 120c) 取 L1000 H ，C10 F，R 120由上图可见， 输出电压和电感电流的衰变已明显变缓，输出电压最终将稳定在 24V 左右，电感电流的平均值最终也将稳定于 0.4A 左右，可见电路参数