电力电子课设升降压仿真设计

1、 电力电子技术课程设计报告DC-DC升降压转换器的设计与仿真研究 目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20683 一。文献综述 PAGEREF _Toc20683 3 HYPERLINK l _Toc15877 二。设计目的及意义 PAGEREF _Toc15877 3 HYPERLINK l _Toc30181 三。设计原则 PAGEREF _Toc30181 4 HYPERLINK l _Toc12621 3.1 降压斩波器工作原理 PAGEREF _Toc12621 4 HYPERLINK l _Toc28905 3.2 升压斩波电路（Boost Choppe

2、r）的工作原理 PAGEREF _Toc28905 8 HYPERLINK l _Toc19407 3.3 升降压斩波电路的工作原理 PAGEREF _Toc19407 9 HYPERLINK l _Toc24672 3.4 Cuk斩波电路工作原理 PAGEREF _Toc24672 11 HYPERLINK l _Toc7061 四。升降压斩波电路仿真步骤及结果分析 PAGEREF _Toc7061 12 HYPERLINK l _Toc1324 12个buck-boost斩波电路仿真 PAGEREF _Toc1324 HYPERLINK l _Toc9461 4.2 不同占空比的仿真结果

3、PAGEREF _Toc9461 13 HYPERLINK l _Toc25734 4.3 仿真结果分析与结论 PAGEREF _Toc25734 15 HYPERLINK l _Toc1749 五。 Cuk斩波电路仿真步骤及结果分析 PAGEREF _Toc1749 15 HYPERLINK l _Toc24005 15个buck-boost斩波电路仿真 PAGEREF _Toc24005 HYPERLINK l _Toc1992 5.2 不同占空比的仿真结果 PAGEREF _Toc1992 16 HYPERLINK l _Toc1019 5.3 仿真结果分析与结论 PAGEREF _To

4、c1019 18 HYPERLINK l _Toc19619 六。一种新型降压-升压转换器的简要概述 PAGEREF _Toc19619 19 HYPERLINK l _Toc30486 6.1 转换器拓扑 PAGEREF _Toc30486 19 HYPERLINK l _Toc30186 6.2 工作模式分析 PAGEREF _Toc30186 19 HYPERLINK l _Toc7321 七。设计经验 PAGEREF _Toc7321 20 HYPERLINK l _Toc9716 八。参考文献 PAGEREF _Toc9716 21概括直流斩波电路（DC Chopper）的作用是将直

5、流电变成另一种固定电压或可调电压的直流电，也称为直流直流转换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路有很多种，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路，前两种是最基本的电路。利用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了电路的仿真模型。在此基础上，对Boost-Buck和Cuk电路进行了详细的仿真分析。本文首先分析了buck斩波电路、boost斩波电路、buck-boost斩波电路和Cuk斩波电路的工作原理，然后利用Matlab对boost-buck变换器和Cuk斩波电路进行了仿真，最后对仿真结果进

6、行了分析总结.在此基础上，通过查阅资料，设计了一种新型的DC-DC升降压转换器，并分析了其原理。关键词：升降压斩波器 Cuk 斩波器 Simulink 仿真 新型升降压斩波器一。文献综述当今世界的软开关技术使DC/DC转换器发生了质的变化和飞跃。美国VICOR设计制造了多种ECI软开关DC/DC转换器。最大输出功率为300W、600W、800W等，对应的功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最近推出了采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列。开关频率为200-300KHz，功率密度达到27W/cm3。同步整流（MOS-FET代替肖特基

7、二极管），使整体电路效率提高到90%。直流斩波电路的应用非常广泛，但在实际产品中应用时也存在一些问题：一是电力系统本身的耗能元件，如电源电阻、滤波阻抗、连接线和接触电阻，会造成系统损失。可控器件IGBT的栅极电阻Rg会随着驱动器件额定电流的增加而减小，栅极电阻Rg的变化会影响电路的性能。为了实现驱动电路的过流过压保护问题。二。设计目的和意义通过这样的设计，我们希望达到以下目标：1、了解直流斩波电路的工作原理：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路，操作时熟悉原理图和波形图，掌握输入输出对两种电路在了解的基础上，对直流斩波电路进行分析计算，加深对直流斩波电路的掌握和应用。2.掌握使用Matl

8、ab的可视化仿真工具Simulink建立电路仿真模型的方法。熟练使用 Simulink 软件。3、认真分析总结仿真结果，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行对比，总结结论，实现Matlab软件在电力电子技术研究和研究中的应用价值。三。设计原则3.1 降压斩波器工作原理a) 示意图b) 电流连续时的波形图图（1）降压斩波电路原理图及波形图降压斩波电路的原理图和工作波形如图（1）所示。本电路采用全控器件V，图中为IGBT，也可采用其他器件。如果使用晶闸管，则需要设置关闭晶闸管的辅助电路。在图 (1) 中，提供了一个续流二极管 VD，以便在 V 关闭时为负载中的电感电流提供路径。斩波电路主要用于电

9、子电路的供电。它还可以驱动直流电机或带电池的负载。在后两种情况下，负载将具有反电动势。如果负载中没有反电动势，只要使 Em=0 ，下面的分析和表达式都适用。当t=t1时，控制V关断，负载电流通过二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数下降。为了使负载电流连续，脉动小，串联电感L的值通常较大。一个周期T结束后，V再次导通，重复上一个周期的过程。当电路处于稳态时，一个周期内负载电流的初值和终值相等。负载电压的平均值为： (1-1)式中，为V处于导通状态的时间；是V处于关闭状态的时间； T 为切换周期；从图中可以看出，输出到负载的电压最大值为E。减小占空比并相应减小。因此，该电路称为降压斩波

10、电路。也有很多文献直接使用它的英文名称，叫做Buck Converter。平均负载电流为：(1-2)如果负载中的 L 值较小，在关断 V 后，此时，如图 5-1c 所示，负载电流已经衰减到零，负载电流是间歇性的。根据输出电压平均值的调制，斩波电路有三种控制方式：(1)保持开关周期T不变，调整开关的导通时间，称为脉冲宽度调制(PWM)或脉冲宽度调制。(2)保持开关的磨损时间不变，改变开关周期T，称为调频或调频型。(3) T 和 T 都可以调节以改变占空比，称为混合型。器件的通态周期V ，假设负载电流为，可公式化如下(1-3)在这个阶段设置电流的初始值，解上式得到(1-4)在V 的断态期间，设置负

11、载电流为，可制定如下方程：(1-5)在这个阶段设置电流的初始值，解上式得到(1-6)当电流连续时，有(1-7)(1-8)即V进入导通状态时的电流初始值为V在关断阶段结束时的电流值，反之， V进入分段状态时的电流初始值为当前在通态阶段结束时的V值。可以从上式得到(1-9)(1-10)在公式中， 。从图中可以看出，和分别是负载电流瞬时值的最大值和最小值。用泰勒级数逼近上述公式，我们可以得到(1-11)L无限大且负载电流完全平坦时的负载电流平均值。此时负载电流的最大值和最小值等于平均值。上述关系也可以从能量传递关系中简单推导出来。由于它是无限的，因此负载电流保持不变。电源仅在V 开启时提供能量，对于

12、.从负载上看，负载在整个周期T 中一直在消耗能量，消耗的能量为。在一个周期内，忽略电路中的损耗，电源提供的能量等于负载消耗的能量，即(1-12)但(1-13)与上述结论一致。在上述情况下，假设L值是无限大的，负载电流是平坦的。在这种情况下，假设当前平均值为：(1-14)其值小于或等于负载电流，可由上式得出：(1-15)即输出功率等于输入功率，降压斩波器可视为直流降压变压器。如果负载的中值较小，可能会出现间歇性负载电流。使用与前一种类似的分析方法，可以分析间歇性电流情况。当电流是间歇性的，并且当 时，方程（1-4）和（1-6）可用于获得：(1-16)电流是不连续的， ，因此不连续电流的条件是：(

13、1-17)对于电路的具体工作条件，可以根据这个公式来判断负载电流是否连续。在负载电流间歇工作的情况下，一旦负载电流下降到零，续流二极管VD就关断，负载两端的电压等于。平均输出电压为：(1-18)不仅与占空比有关，还与反电动势有关。此时的平均负载电流为：(1-19)3.2 升压斩波器工作原理a) 示意图b) 波形图（2）升压斩波电路原理图及波形图在分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中的电感值大，电容值也大。当可控开关V处于导通状态时，电源对电感充电，充电电流基本恒定，电容上的电压为负载供电。因为该值很大，所以输出电压基本保持为一个恒定值，记为。令 V 处于导通状态的时间为 ，此时电感上积

14、累的能量为。当 V 处于关断状态时，一起对电容器充电并为负载提供能量。设V处于关断状态的时间为，则电感在此期间释放的能量为( - ) 。当电路工作在稳态时，电感在一个周期内积累的能量等于释放的能量，即=( - ) (1-20)简化为：= = (1-21)式中，输出电压高于电源电压，故此电路称为升压斩波电路。也有文献直接使用它的英文名称，称为（Boost Converter）。在公式中，它代表升压比，通过调整它的大小，可以改变输出电压。调整方法与上一章介绍的改变占空比的方法相同。相似的。将升压比的倒数写为= 。那么它与占空比有如下关系： (1-22)因此，公式可以表示为：= (1-23)升压斩波

15、电路能够使输出电压高于电源电压的关键原因有两点：一是电感储存能量后，起到升压的作用，而电容可以维持输出电压。在上述分析中，认为V的输出电压在通态期间由于电容器的作用而保持不变，但实际值不可能是无穷大的。在这个阶段，当它放到负载上时，它必然会降低，所以实际输出电压会略低一些。低于公式得到的结果。但当电容值足够大时，误差很小，基本可以忽略不计。如果忽略电路中的损耗，则电源提供的能量仅由负载耗散，即：(1-24)这个公式表明，与降压斩波电路一样，寿命斩波电路也可以看作是一个直流变压器。根据电路结构并结合公式，输出电流的平均值为：(1-25)由公式可得电源电流为(1-26)3.3 升降压斩波电路的工作

16、原理(1)当V导通时，电源E通过V给L供电以储存能量，电流为。同时，C保持输出电压恒定，为负载R供电。(2) V关断时，L的能量释放给负载，电流为。负载电压的极性为上负下正，与电源电压的极性相反。该电路也称为反极性斩波电路。a) 示意图b) 波形图（3）升压/降压斩波电路原理图及波形图数量关系：在稳态下，电感 L 两端的电压 uL 在周期 T 内的积分为零，即：(1-27)当 V 处于开启状态时， ;当 V 处于关闭状态时， ;然后：(1-28)所以输出电压为： (1-29)可以看出，通过改变占空比，可以控制斩波电路的输出电压U。的大小。 01/2时为降压，1/21时为升压，故称为升降压斩波电

17、路。图（3）b）显示了电源电流i1和负载电流i2的波形。设两者的平均值分别为I1和I2。当电流纹波足够小时，有：(1-30)可由上式得到：(1-31)如果 V 和 VD 是没有损耗的理想开关，则： (1-32)其输出功率与输入功率相等，可视为直流变压器。3.4 Cuk斩波电路的工作原理(1) 当V导通时， E-L1-V回路和RL 2 C V回路中有电流。(2) V关断时， EL 1 - C- VD电路和RL 2- VD电路有电流。(3)输出电压的极性与电源电压的极性相反。(4)电路相当于开关S在A点和B点之间交替切换。图（ 4） Cuk斩波电路及其等效电路数量关系：V处于导通状态的时间，则电容

18、电流与时间的乘积为。V处于关断状态的时间，则电容电流与时间的乘积为。所以：(1-33)(1-34)优点：输入电源电流和输出负载电流连续，脉动小，有利于输入输出滤波。升降压斩波电路的仿真步骤及结果分析4.1 升降压斩波电路仿真步骤1、根据升降压斩波电路原理图，搭建升压-降压转换器仿真模型，如图（5）所示：图（5）升压降压转换器仿真模型2、由IGBT组成的DC Buck Chop-per的建模和参数设置：U o = 100V 作为电压源参数； (2) IGBT按默认参数设置，取消缓冲电路；(3)二极管按默认参数设置；(4)负载参数取R=50，C=3e-0 6 F ；(5) 电感支路L = 95e-

19、5 H(6)打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，设置相对误差为1e-03 ，开始仿真时间为0 ，停止仿真时间为0.0 02 s ；(7)控制脉冲周期设置为1e-0 4s，控制脉冲占空比分别设置为10 % 、25%、50 % 、75%。4.2不同占空比的仿真结果1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的10%，仿真结果如图（6）所示：图（6）控制脉冲占空比10%由图（6）可知，负载上的平均电压约为11 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。2、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的25%，仿真结果如图（7）所示：图（7）控制

20、脉冲占空比25%由图（7）可知，负载上的平均电压约为33 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的50%，仿真结果如图（8）所示：图（8）控制脉冲占空比50%由图（8）可知，负载上的平均电压约为100 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。4、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的75%，仿真结果如图（9）所示：图（9）脉冲占空比75%由图（9）可知，负载上的平均电压约为300 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： ,

21、 Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。4.3 仿真结果分析与结论直流斩波电路可以将直流电压转换成固定或可调的直流电压。采用直流斩波技术不仅可以实现电压调节功能，还可以达到改善电网侧谐波、提高功率因数的目的。直流斩波技术主要用于有直流电源且需要调整直流电压的场合。Boost-Buck Chopper 电路可以很容易地调整输出电压，因为输出电压为： ;如果改变导通比，输出电压可以高于电源电压，也可以低于电源电压，当01/2时为降压，当1/21，为升压，可轻松实现直流变换中的升压和降压功能，广泛应用于工业生产。直流变换电路主要采用全控电力电子器件作为开关器件。通过控制主电路的通断

22、，将恒定的直流斩波成断续的方波，经滤波后成为电压可调的直流输出电压。 .利用Simulink对降压斩波器电路和升降压斩波器的仿真结果进行了详细分析，并对比了常规电路分析方法得到的输出电压波形，进一步验证了仿真结果的正确性。使用Matlab/Simulink对直流斩波电路进行仿真分析，避免了传统分析方法中繁琐的绘图和计算过程，获得了一种更直观、更快速的斩波电路分析新方法。同时，其建模方法也适用于其他斩波电路策略，只需稍微改变电路结构即可实现，具有很强的实用性。使用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，直观地观察到仿真结果随参数的变化，便于学习和研究。Cuk斩波

23、电路仿真步骤及结果分析5.1 升降压斩波电路仿真步骤1、根据Cuk斩波电路原理图，建立Cuk变换器的仿真模型，如图（10）所示：图（10）升压降压转换器仿真模型由IGBT组成的DC Cuk斩波电路建模及参数设置：U o = 100V 作为电压源参数； (2) IGBT按默认参数设置，取消缓冲电路；(3)二极管按默认参数设置；(4)负载参数取R=50，C=3e-0 6 F ；(5) 电感支路L = 95e-5 H(6)打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，设置相对误差为1e-03 ，开始仿真时间为0 ，停止仿真时间为0.0 02 s ；(7)控制脉冲周期设置为1e-0 4s，控制脉冲占空比分

24、别设置为25%、50 %和75%。5.2不同占空比的仿真结果1. 脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的 25%。仿真结果如图（11）所示：图（11）控制脉冲占空比25%由图（11）可知，负载上的平均电压约为33 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。2. 脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉冲宽度的 50%。仿真结果如图（12）所示：图（12）控制脉冲占空比50%由图（12）可知，负载上的平均电压约为100 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。3. 脉冲发生器中的脉

25、冲宽度设置为脉冲宽度的 75%。仿真结果如图（13）所示：图 (13) 脉冲占空比75%由图（13）可知，负载上的平均电压约为300 V ，波形为直流电压，纹波很小；理论计算： , Uo 和 E 极性相反；仿真结果与升降压斩波器理论一致。5.3 仿真结果分析与结论1、Cuk斩波电路可以将直流电压转换成固定或可调的直流电压。使用Cuk斩波技术不仅可以实现电压调节功能，还可以达到改善电网侧谐波、提高功率因数的目的。 .直流斩波技术主要用于有直流电源且需要调整直流电压的场合。2、Cuk斩波电路可以很方便的调节输出电压，因为输出电压为：如果改变导通比，输出电压可以高于电源电压或低于电源电压，当01/2

26、时为降压，当1/21时，是boost，可以很容易地实现直流转换的升压和降压，在工业生产中得到了广泛的应用。3、Cuk斩波电路主要采用全控电力电子器件作为开关器件。通过控制主电路的通断，将恒定的直流斩波成断续的方波，经滤波后变为可调电压。直流输出电压。利用Simulink对降压斩波器电路和升降压斩波器的仿真结果进行了详细分析，并对比了常规电路分析方法得到的输出电压波形，进一步验证了仿真结果的正确性。4、优点：输入电源电流和输出负载电流连续，脉动小，有利于滤波。一种新型降压-升压转换器的简要概述6.1 转换器拓扑新颖设计的DC / DC 转换器的拓扑结构。 DC / DC转换器是前级和后级的串联结

27、构。前级由, , , , L, C, ,组成降压转换电路，后级由, , L 和 C 组成升压转换电路。其中，L、 C均出现在前后级变压器电路中。图（14）新型DC/DC转换器示意图由于两个主开关的控制端不共地，PWM很难控制两个主开关。为了实现两个控制信号的共地，只能选择功率晶体管。为此，在图（ 14）所示的主转换电路中增加了辅助开关，将NPN型改为PNP型。显然，它是一个共地，而，是一个同步开关，实现了双向切换。控制信号的公共接地。这样电路的工作状态原来是通过控制来控制的，现在是通过控制来控制的，称为降压斩波辅助开关、升压斩波主开关、降压斩波主开关。6.2 工作模式分析假设使用的电力电子器件

28、是理想的，电感和电容是理想的无损耗储能元件，不考虑线路阻抗，变换器始终处于连续电流状态。 DC / DC转换器有两种典型的工作模式降压工作模式和升压工作模式。下面分别对这两种工作模式进行分析。降压工作模式：关闭时工作在PWM模式，转换器处于降压工作模式。此时转换器只比Buck转换器多一个二极管，增加这个二极管对Buck转换器的工作没有影响。因此，降压工作模式下的转换器相当于降压转换器，对应的电压转换关系为：中： Ui输入电压； Uo输出电压； T占空比。升压工作模式：当它完全打开并工作在PWM模式时，转换器处于升压模式。此时，转换器与Boost转换器相接。多了一个全导通开关和一个二极管，这两个器件的加入对Boost转换器的工作没有影响。因此，升压模式下的转换器相当于升压转换器，对应的电压转换关系为：式中： U i输入电压； Uo输出电压； T2的占空比。看到DC /