升壓-降壓式變換器的仿真(DOC)

1、目錄摘要- 2 -設(shè)計(jì)目的- 2 -設(shè)計(jì)原理- 2 -一、降壓斬波電路- 2 -二、升壓斬波電路- 3 -三、升降壓斬波電路- 3 -設(shè)計(jì)過程- 3 -一、仿真原理圖- 3 -二、仿真設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程- 3 -結(jié)果- 3 -總結(jié)- 3 -心得體會- 3 -參考文獻(xiàn)- 3 - 摘要直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流直流變換器。本文先分析了降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路的工作原理，又

2、用Matlab對升壓-降壓變換器進(jìn)行了仿真建模，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立了電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對升降壓斬波BoostBuck電路進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。設(shè)計(jì)目的本次設(shè)計(jì)的預(yù)期目的如下：1、理解直流斬波電路中的降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路的工作原理，熟悉其原理圖及工作時(shí)的波形圖，掌握著兩種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點(diǎn)，并在理解的基礎(chǔ)上會對直流斬波電路進(jìn)行分析計(jì)算，加深對直流斬波電路的掌握及應(yīng)用。2、熟練運(yùn)用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對升降壓斬波BoostBu

3、ck電路進(jìn)行仿真分析，認(rèn)真做好每個(gè)步驟。以提高設(shè)計(jì)建模的能力及加強(qiáng)對Matlab/Simulink軟件的熟練程度。3、認(rèn)真分析總結(jié)仿真結(jié)果，將仿真波形與常規(guī)分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，對結(jié)果進(jìn)行比較分析，體會Matlab軟件在電力電子技術(shù)學(xué)習(xí)和研究中的使用價(jià)值。設(shè)計(jì)原理一、降壓斬波電路降壓斬波（BUCK）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如1-1 所示。 圖中實(shí)線部分表示開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的回路，虛線部分表示器件關(guān)斷時(shí)的續(xù)流回路。1、t=to時(shí)s閉合，電源ui向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=ui。 2、t=t1時(shí)s斷開，二極管D續(xù)流，負(fù)載電流下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。3、t=t2時(shí)刻，s再次閉合，重

4、復(fù)上述過程。 由電感器件的伏秒平衡原理，可以得出在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下，BUCK 斬波電路的輸出電壓。電感電流連續(xù)時(shí)，有 化簡可得：電感電流斷續(xù)時(shí)，有化簡可得：由此可以看出，電感電流斷續(xù)情況下的輸出電壓更高。 二、升壓斬波電路升壓斬波（BOOST）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1 所示。在圖2-1 中，實(shí)線部分表示開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的回路，虛線部分表示開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的回路1、假設(shè)L和C值很大。2、s閉合時(shí)，電源ui向電感L充電，電容C向負(fù)載R供電3、s斷開時(shí)，電源ui和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量 由電感器件的伏秒平衡原理，可以得出在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下，BUCK 斬波電路的輸出電壓。

5、 電感電流連續(xù)時(shí)，有 化簡可得 ：電感電流斷續(xù)時(shí)，有： 化簡可得： 由此可以看出，電感電流斷續(xù)情況下的輸出電壓更高三、升降壓斬波電路升降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1 所示。實(shí)線部分表示開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的回路，虛線部分表示開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的回路1、s閉合時(shí)，電源ui向L供電使其貯能，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。2、s斷開時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。由伏秒平衡原理可得電感電流連續(xù)和斷續(xù)的輸出電壓，且其極性與輸入相反。 電感電流連續(xù)時(shí)，有 化簡可得 電感電流斷續(xù)時(shí)，有 化簡可得由此可以看出，電感電流斷續(xù)時(shí)，BUCK-BOOST

6、斬波電路的輸出電壓也增大。 設(shè)計(jì)過程一、仿真原理圖仿真參照的原理圖如下：圖（1） 仿真原理圖上圖將開關(guān)s替換成IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極性晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器性的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、

7、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。故使用IGBT可以在很大程度上優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少誤差，利于仿真結(jié)果的分析。二、仿真設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程根據(jù)升降壓斬波電路原理圖，建立升壓-降壓式變換器仿真模型，如圖（2）所示：圖（2）仿真圖由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(Buck Chop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置：（1）電壓源參數(shù)取Uo=100V； （2）IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，（3）二極管按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置；（4）負(fù)載參數(shù)取R50 ，C3e06 F；（5）電感支路L95e-5H（6）打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.002 s；（7

8、）控制脈沖周期設(shè)置為1e-04s,控制脈沖占空比分別設(shè)為50、33.3%、75%。結(jié)果參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動仿真，得到如下仿真結(jié)果。其中，Ic為IGBT電流，Id為二級管電流，I1為電感電流，V為負(fù)載電壓，Mean為負(fù)載電壓平均值。1、脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設(shè)置為脈寬的50%，仿真結(jié)果如圖（3）所示圖（3）脈沖為50%時(shí)仿真結(jié)果從圖上直觀的看出，負(fù)載上平均電壓為100 V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計(jì)算：仿真結(jié)果與升降壓斬波理論分析吻合2、脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設(shè)置為脈寬的33.3%，仿真結(jié)果如圖（4）所示圖（4）脈沖為33.3%時(shí)仿真結(jié)果負(fù)載上平均電壓為50V，波形為有少許波紋的直流電壓

9、；理論計(jì)算：仿真結(jié)果與升降壓斬波理論分析吻合。3、脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設(shè)置為脈寬的75%，仿真結(jié)果如圖（5）所示圖（5）脈沖為75%時(shí)仿真結(jié)果負(fù)載上平均電壓為300 V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計(jì)算：仿真結(jié)果與升降壓斬波理論分析吻合總結(jié)通過仿真結(jié)果可以直觀的看到，在忽略誤差的情況下，仿真結(jié)果與升降壓斬波電路的理論分析吻合。通過以上的仿真過程分析，還可以得到下列結(jié)論：直流斬波電路可將直流電壓變換成固定的或可調(diào)的直流電壓，控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，通過對占空比的調(diào)節(jié)起到控制輸出電壓大小的目的，此外，控制電路還完成一定的保護(hù)功能。使用直流斬波技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的功能，而且

10、還可以達(dá)到改善網(wǎng)側(cè)諧波和提高功率因數(shù)的目的。直流斬波技術(shù)主要應(yīng)用于已具有直流電源需要調(diào)節(jié)直流電壓的場合。升降壓斬波電路（Boost- Buck Chopper）能夠方便的調(diào)節(jié)輸出電壓，由于輸出電壓為： ；若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓，輕松實(shí)現(xiàn)直流變換中的升壓和降壓作用，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用廣泛。利用Simulink對降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用Matlab/Simulink對直流斬波電路進(jìn)行

11、仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到了一種較為直觀、快捷分析斬波電路的新方法。同時(shí)其建模方法也適用于其他斬波電路的方針，只需對電路結(jié)構(gòu)稍作改變即可實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)用性較強(qiáng)。應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀的觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況，方便學(xué)習(xí)與研究。心得體會本次設(shè)計(jì)中我首先查閱了相關(guān)書籍、資料，對直流斬波電路有了大致的掌握，接著學(xué)習(xí)了直流斬波電路的基本類型，包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路等，理解了其工作原理，熟悉其原理圖及工作時(shí)的波形圖，掌握了這幾種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點(diǎn)，并在理解的

12、基礎(chǔ)上能對直流斬波電路進(jìn)行分析計(jì)算，加深了對直流斬波電路的掌握及應(yīng)用。通過使用Matlab的可視化仿真工具Simulink對升降壓斬波BoostBuck電路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真庫里的原器件，增強(qiáng)了畫圖能力，使用示波器，可以在運(yùn)行方針時(shí)簡明地觀察到仿真結(jié)果，還可將多個(gè)結(jié)果放在一起以便對比，使我體會到了Matlab的可視化仿真工具Simulink的功能的齊全及使用的便捷。同時(shí)在仿真建模的基礎(chǔ)上對升降壓斬波BoostBuck電路進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，將仿真波形與常規(guī)分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，提高了我設(shè)計(jì)建模的能力、分析總結(jié)能力及加強(qiáng)了對Matlab/Simulink軟件的熟練程度?？傊?，通過這次基于MATLAB的升壓-降壓式變換器的仿真的設(shè)計(jì)，我無論在理論分析上還是在建模仿真上都是受益頗多，體會到了Matlab軟件在電力電子技術(shù)學(xué)習(xí)和研究中的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)它也是能讓我們將理論與實(shí)踐相結(jié)合、將所學(xué)知識系統(tǒng)化聯(lián)系在一起的很好的工具，經(jīng)過仿真能使所學(xué)的概念理解的更清晰、知識掌握的更牢固因?yàn)橹安⒎潜緦I(yè)的學(xué)生，加上時(shí)間倉促個(gè)人經(jīng)驗(yàn)知識水平有限，所以很多地方還是一知半解，整個(gè)仿真