基于MATLAB直流-直流變換器的研究---畢業(yè)論文

1、【標(biāo)題】 基于 MATLAB直流 - 直流變換器的研究【作者】 周清華【關(guān)鍵詞】 降壓變換器 升壓變換器 占空比 MATLAB 仿真【指導(dǎo)老師】 黃江波【專業(yè)】 物理學(xué)【正文】1. 緒論1.1. 引言 課題主要研究降壓直流 -直流變換器 (Buck Converter) 和升壓直流 -直流變換器 (Boost Converter) 的工作原理，通過對(duì)兩個(gè)變換器的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后得出重要結(jié)論。1.2. 課題研究目的及意義 隨著電動(dòng)牽引技術(shù)的發(fā)展， 特別是電子信息類產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)， 直流變換技術(shù)已廣泛應(yīng)用于 生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。大到地鐵列車、無軌電車、計(jì)算機(jī)、各種家用電器、電動(dòng)汽車和醫(yī)

2、 學(xué)器械， 小到移動(dòng)電話、 MP3播放器 13 。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能2030。直流斬波器不僅有調(diào)壓的作用，同時(shí)還能有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲 1 。所以研究直 流變換器具有重要的現(xiàn)實(shí)理論意義。在電力電子系統(tǒng)的研究中， 仿真研究由于其高效、 高精度及高的經(jīng)濟(jì)性與可靠性而得到大量 應(yīng)用。 Matlab 作為一種新型的高性能的語(yǔ)言，為電力電子技術(shù)的研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供了理 想的工具 14 。Matlab/Simulink是一種有效的仿真工具， 本課題應(yīng)用 Matlab 的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 進(jìn)行直流變換器的仿真和分析， 能夠很好的模擬實(shí)際電路的各種電氣量， 從而進(jìn)行更好

3、的分析研究直流變換器，以達(dá)到促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展 6 。1.3. 目前國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀1.3.1. 從理論方面研究 傳統(tǒng)的理想模型和實(shí)際電路之間的偏差是開關(guān)變換器建模不可忽視的問題。圍繞這一問題， 在文獻(xiàn) DC-DC開關(guān)變換器的建模分析中，對(duì) DC-DC開關(guān)變換器建模方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨 勢(shì)進(jìn)行深入分析， 提出了一種非理想基本變換器在連續(xù)工作模式下的電路平均建模方法。 以 非理想 Buck 變換器和非理想 Boost 變換器為例，闡明了建模過程并進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證，建立了非理想 M1開關(guān)模型， 在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了 Buck-Boost 變換器在連續(xù)工作模式下 的等效電路模型， 進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)

4、和動(dòng)態(tài)小信號(hào)特性分析。 該建模方法考慮了變換器的寄生參數(shù)， 模型直觀、物理意義清晰、具有實(shí)用價(jià)值 7 。作者還提出了非理想變換器在斷續(xù)工作模式下的電路平均建模方法， 該方法不僅考慮了變換 器的寄生參數(shù)，而且考慮了電流的紋波。首次建立了非理想 Buck 變換器、非理想 Boost 變 換器在斷續(xù)工作模式下的大信號(hào)平均模型、DC和小信號(hào)電路模型，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，導(dǎo)出了傳遞函數(shù)。統(tǒng)一了非理想 Buck 變換器、非理想 Boost 變換器在連續(xù)工作模式和斷續(xù)工作 模式下的大信號(hào)平均模型，推導(dǎo)了斷續(xù)工作模式和連續(xù)工作模式的邊界。研究了 Buck 變換 器和 Boost 變換器在斷續(xù)工作模式下的小信號(hào)特性

5、，討論了不同的參數(shù)對(duì)小信號(hào)特性的影 響，并與臨界連續(xù)、連續(xù)工作模式下的小信號(hào)特性進(jìn)行了比較。1.3.2. 從控制方法上研究基于電壓箝位 ZVS推挽三電平直流變換器 一文中， 作者提出了采用移相控制實(shí)現(xiàn)零電壓 開關(guān)的研究。 為解決推挽變換器中存在的開關(guān)管電壓應(yīng)力高， 難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)， 關(guān)斷時(shí)會(huì)導(dǎo) 致整流二極管產(chǎn)生很高的電壓尖峰等問題， 提出了一種電壓箝位零電壓開關(guān)推挽三電平變換 器。對(duì)該變換器采用移相控制可使得超前管依靠濾波電感的能量、 滯后管利用諧振電感的能 量實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)， 同時(shí)加入的箝位電路可使輸出整流二極管后的電壓尖峰得到消除， 改善 了輸出整流二極管的工作條件 8 ?；谥绷髯儞Q器并

6、聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)均流的非線性控制 ，作者針對(duì)并聯(lián)直流變換器提出了一種 新穎的非線性動(dòng)態(tài)均流控制策略。 文章首先利用開關(guān)脈沖分段函數(shù)建立了兩相交錯(cuò)并聯(lián)變換 器兩輸入兩輸出仿射非線性模型， 推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的非線性坐標(biāo)變換矩陣和非線性狀態(tài)反饋規(guī)律 表達(dá)式， 得到狀態(tài)反饋精確線性化模型。 接著文章利用二次型最優(yōu)控制對(duì)線性化模型進(jìn)行動(dòng) 態(tài)均流控制設(shè)計(jì)， 得到精確線性化的狀態(tài)反饋規(guī)律， 建立了一種基于微分幾何理論的非線性 均流控制策略。 研究表明， 兩相并聯(lián)直流變換器通過狀態(tài)反饋精確線性化得到的非線性均流 控制策略，比現(xiàn)有 PID 均流控制有更好的動(dòng)態(tài)均流特性，同時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì) 9 。1.3.3. 從仿

7、真手段上研究基于 Simulink 在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用一文中，作者研究了 Simulink 仿真的優(yōu) 點(diǎn)。他對(duì)目前常用的教學(xué)仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，選擇 Matlab 環(huán)境下 Simulink 仿真工具對(duì)電力電子技術(shù)中的 SPWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，將該軟件模 塊化、 可視化的特點(diǎn)應(yīng)用到電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中，可以幫助學(xué)生更直觀、 清晰地學(xué)習(xí)和理解一些較復(fù)雜的算法問題，在電力電子技術(shù)教學(xué)中具有一定的推廣價(jià)值 10 。1.4. 有待解決的問題 磁放大器式多路輸出直流變換器由高頻變壓器二次側(cè)串接LT，再接到整流管 VD3 和 LC輸出濾波器。這種多路輸出 DC/DC變換

8、器適用于輸出電流為 1A 至幾十安培的場(chǎng)合，但是由于非 線性元件的存在使得反饋回路的設(shè)計(jì)較為困難， 所以有待解決適合磁放大器式多路輸出直流 變換器的反饋回路的較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì) 2 。 電壓加權(quán)反饋式多路輸出直流變換器的好處主要是變換器輸出支路的整體穩(wěn)壓精度有所提 高，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，輸出電壓最低可達(dá)到5V 左右。但是由于反饋信號(hào)是每路輸出的加權(quán)和，因此所有支路的輸出均無法得到準(zhǔn)確調(diào)節(jié)， 它只是通過控制量的加權(quán)系數(shù)改變輸出誤 差在各支路的分配比例，而不能消除誤差，所以這種問題也有待解決 3 。1.5. MATLAB 仿真軟件介紹Matlab 自從正式推出以后， 經(jīng)過不斷地完善、 擴(kuò)充，其功能與應(yīng)

9、用領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)展。 Matlab 中的電力系統(tǒng)工具箱 (Power System) 具有豐富的器件模型庫(kù)和齊全的分析功能，且操作方 便、簡(jiǎn)單易學(xué)， 可以方便快捷地分析電力電子電路， 特別適用于電力電子的教學(xué)和實(shí)驗(yàn) 12 。 進(jìn)入 MATLAB系統(tǒng)后打開模塊庫(kù)瀏覽窗口，用鼠標(biāo)左鍵雙擊其中的SimPowerSystems 即可彈電力系統(tǒng)工具箱模塊庫(kù)。它主要包含以下幾類：電源庫(kù)、元件庫(kù)、電力電子元件庫(kù)、機(jī)組模 型、連接元件、測(cè)量元件、其它元件、電力圖形用戶界面、演示系統(tǒng)等，基本涵蓋了電路、 電力電子、 電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型， 其元件和 模塊是由電力工業(yè)領(lǐng)域的

10、專家提出并得到實(shí)際證實(shí)的， 符合電力專業(yè)分析軟件的要求。 這些 模塊庫(kù)包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊 4 。利用 SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析， 在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后， 不需要書寫代碼， 只需使用鼠標(biāo)拖動(dòng)庫(kù)中的功能模塊并將它們連接 起來， 按照實(shí)驗(yàn)要求修改各元器件的參數(shù)， 即可方便、 直觀地建立各種系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真 10 。1.6. 論文研究的主要內(nèi)容 本文以常規(guī)的降壓直流 -直流變換器 (Buck Converter) 和升壓直流 -直流變換器 (BoostConverter) 為主要研究對(duì)象， 首先分別建立實(shí)驗(yàn)電路圖， 然后用 MATLAB中的 simulink 仿真 軟件進(jìn)

11、行仿真測(cè)試， 分析這兩種基本直流變換電路的輸出電流 、輸出電壓 波形， 及控制 脈沖占空比 對(duì)輸出電流 、輸出電壓 的控制作用。 最后對(duì)比兩個(gè)直流變換器的仿真結(jié)果， 總結(jié)出結(jié)論。2. 對(duì)升壓變換器的研究2.1. 直流 -直流變換器的控制直流 -直流變換器也稱為斬波器，通過對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到 負(fù)載上，通過改變通斷時(shí)間比(通常稱為占空比，用 表示)來改變輸出電壓平均值 15 。 在直流 - 直流變換器中， 當(dāng)輸入電壓和負(fù)載變化和波動(dòng)時(shí)， 直流輸出電壓保持不變。 或者是， 當(dāng)輸入電壓不變時(shí)， 直流輸出電壓隨著電壓給定值的變化而變化。 圖 2-1 給出了基本的直流 -直流變

12、換器的結(jié)構(gòu)及其輸出波形。(b)(a)圖 2-1 基本的直流 - 直流變換器的結(jié)構(gòu)及其輸出波形開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓如圖 2-1 (b)所示，輸出電壓的平均值；開關(guān)管斷開時(shí)，輸出電壓等于 0。輸出電壓波形 為2-1)式中 開關(guān)周期； 開關(guān)占空比， 。由式( 2-1 )可知，改變負(fù)載端輸出電壓有 3 種調(diào)制方法：1. 開關(guān)周期 保持不變，改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，也稱為脈寬調(diào)制 (PWM)；2. 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 保持不變，改變開關(guān)周期；3. 改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 ，同時(shí)也改變開關(guān)周期 。方式 1 的 PWM是最常見的調(diào)制方式， 這主要是因?yàn)楹髢煞N方式改變了開關(guān)頻率， 而輸出級(jí)濾 波器是根據(jù)開關(guān)

13、頻率設(shè)計(jì)的，顯然，方式 1 有較好的濾波效果。圖 2-2(a) 是脈寬調(diào)制方式的控制原理圖。給定電壓 與實(shí)際輸出電壓 經(jīng)誤差放大器得到 誤差控制信號(hào) ，該信號(hào)與鋸齒波信號(hào)比較得到開關(guān)控制信號(hào)，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷， 得到期望的輸出電壓。圖 2-2(b) 給出了脈寬調(diào)制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開 關(guān)頻率。一般選擇開關(guān)頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。（a）PWM控制原理圖（b）PWM工作波形 圖 2-2 脈寬調(diào)制原理圖 當(dāng) ，開關(guān)控制信號(hào)變高，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng) ，開關(guān)控制信號(hào)變低，開關(guān)管斷開。按照控制 電壓和鋸齒波幅值的關(guān)系，開關(guān)占空比 可以表示成：(2-2)直流 - 直流變換器有兩種不同

14、的工作模式：電感電流連續(xù)模式、電感電流斷續(xù)模式。在不同 的情況下， 變換器可能工作在不同的模式。因此， 設(shè)計(jì)變換器及其控制器參數(shù)時(shí)， 應(yīng)該考慮 這兩種不同的工作模式的特性。2.2 升壓變換器的工作原理 升壓變換器也稱為 Boost 變換器。 正如名字所指的， 升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電 壓。圖 2-3 是升壓變換器的電路圖。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源的電流流過電感和開關(guān)管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。 當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感的感應(yīng)電勢(shì)使二極管導(dǎo)通，電感電流 通過二極管和負(fù)載構(gòu)成回路， 由輸入電源向負(fù)載提供能量。在下面的穩(wěn)態(tài)分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大， 以確保輸出電壓保持恒

15、定，即 。圖 2-3 升壓變換器電路原理圖2.2.1 電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況 如圖 2-4 所示為電感電流連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)波形。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分是0，即上式的兩邊除以 ，整理后得：b）開關(guān)管斷開時(shí)的等效電2-3)（a）開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電路路圖 2-4 升壓變換器電路的情況（假定 連續(xù)） 假設(shè)電路沒有損耗，則 ，故2-4)2.2.2 電流連續(xù)與斷續(xù)模式的邊界圖 2-5 （ a）給出了在電感電流臨界連續(xù)的情況下和 的波形。（a）電感電壓和電感電流波形（b）保持 為常數(shù)時(shí) ， 與 的關(guān)系函數(shù)圖 2-5 臨界連續(xù)模式下的情況 由定義可知，在臨界連續(xù)的情況下，在斷開間隔結(jié)束時(shí)電

16、感電流降為 0。在臨界情況下的電感電流平均值為（ 2-5）在升壓變換器中，電感電流和輸入電流相等（流臨界連續(xù)狀態(tài)下的輸出電流平均值是）, 且由式（ 2-4 ）和式（ 2-5 ）可得，在電（2-6）大多數(shù)升壓變換器的應(yīng)用都要求 恒定。在 恒定時(shí)， 在臨界連續(xù)情況下輸出電流 與占空 比 的函數(shù)關(guān)系曲線如圖 2-5 （ b）所示。保持 不變時(shí)，輸入電壓變化，則意味著要改變 占空比 。圖 2-5 （ b）表明：在占空比 D=0.5 時(shí)，電流臨界連續(xù)所要求的電感電流 最大，為（2-7）在占空比 =0.33 時(shí)，電流臨界連續(xù)所要求的輸出電流 最大，為（2-8）將式（ 2-7 ）和式（ 2-8 ）分別代入式

17、（ 2-5 ）和式（ 2-6 ），則電感電流 和輸出電流 分別 可以表示為（2-9）（2-10）圖 2-5（ b）表明：對(duì)于給定的占空比 ，當(dāng)輸出電壓 恒定時(shí)， 若負(fù)載電流平均值低于 （同 時(shí)，電感電流平均值也會(huì)低于 ），則變換器工作在電流斷續(xù)模式。2.2.3 電流斷續(xù)模式時(shí)的工作情況b）在電流斷續(xù)模式下假設(shè)當(dāng)輸出負(fù)載功率減少時(shí)， 和 保持不變（盡管在實(shí)際中， 為保持 不變，必須改變 ）。 如圖 2-6 所示為假定 和 不變的情況下，臨界連續(xù)和斷續(xù)模式的工作波形。（a）在電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)圖 2-6 升壓變換器工作波形 在圖 2-6 （b）中，當(dāng) （= ）降低時(shí)，由于 保持不變，所以導(dǎo)致

18、 （= ）降低，進(jìn)入電 流斷續(xù)模式。由于圖 2-6 中的 和 保持不變，所以 在兩種模式下是相同的，只有圖 2-6 （b）中 升高，則 - 更負(fù)， 才可能降低。電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分等于 0，有所以(2-11 )（2-12）在圖 2-6（b） 中，輸入電流平均值（也等于電感電流平均值）為(2-13) 將式 (2-13) 代入式 (2-12) 中得（2-14）在大多數(shù)應(yīng)用中， 保持不變， 改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致 的改變，所以占空比 與負(fù)載電流在不 同 時(shí)的函數(shù)關(guān)系時(shí)非常有用的。由式 （2-8） 、式 （2-11） 和式 （2-14） 可得（ 2-15 ）圖 2-7 給出了不同 時(shí)占空比 與負(fù)載電流 的

19、函數(shù)關(guān)系曲線。 虛線是電流連續(xù)和斷續(xù)模式 的界限。圖 2-7 保持 不變時(shí)升壓變換器的特性曲線在電流斷續(xù)模式下，從輸入傳送到電容和負(fù)載的能量至少為如果負(fù)載不能夠吸收這些能量，電容的電壓 將持續(xù)上升，直至建立能量平衡。如果不控 制 ，當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)， 的上升可能導(dǎo)致電容被擊穿或產(chǎn)生很高的危險(xiǎn)電壓。2.3 升壓變換器的仿真研究一個(gè)直流升壓斬波變換電路模型圖如圖 2-8 所示，其輸出電壓 總是大于輸入電源電壓 當(dāng)開關(guān) S閉合時(shí)， 二極管受電容器 C上的電壓影響反向斷開， 于是將輸出級(jí)隔離， 由輸入端 電源向電感供應(yīng)能量。 當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)， 二極管正向?qū)ǎ?輸出級(jí)吸收來自電感與輸入端電 源的能

20、量。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，假定輸出濾波器足夠大，以確保一個(gè)恒定的輸出電壓 。圖 2-8 升壓斬波變換電路模型圖根據(jù)電感的基本特性，在穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分必須為零，即兩邊除以 ，整理后可得（2-16 ）在式（ 2-16 ）中， 為占空系數(shù)。當(dāng)輸入電壓 保持不變時(shí)，改變 即可改變輸出電壓 。其實(shí)驗(yàn)電路如圖 2-9 所示。圖 2-9 升壓斬波變換電路原理圖2.3.1 升壓變換器的建模仿真啟動(dòng) MATLAB7.0，進(jìn)入 simulink 后新建文檔，繪制直流升壓斬波變換電路模型如圖 2-10 所 示。雙擊各個(gè)模塊，在出現(xiàn)的對(duì)話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù) 16 。（1）直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源

21、電壓為100V。（2）電阻、電容和電阻參數(shù)設(shè)置： C=5e-4F， L=1mh， R=10 。（3）脈沖發(fā)生器模塊（ pulse ）的參數(shù)設(shè)置：振幅設(shè)置為 1V，周期為 0.002S ，脈沖寬度為 20%。對(duì) Boost 變換器電路模型進(jìn)行仿真。 在使用晶閘管 GTO，MOSFE，TIGBT 等元件的仿真模型中， 仿真時(shí)使用剛性積分算法，通常使用 Ode15s 或 Ode23tb 以獲得最好的仿真速度。圖 2-10 直流升壓斬波變換電路模型圖2.3.2 仿真結(jié)論仿真開始時(shí)間為 0.0s, 停止時(shí)間設(shè)置為 0.04s 。設(shè)置好各模塊參數(shù)后，單擊工具欄的 按鈕 進(jìn)行仿真。圖 2-11 脈沖寬度為

22、20%直流升壓斬波變換電路仿真結(jié)果 雙擊示波器模塊模塊，得到仿真結(jié)果如圖 2-11 所示。圖中 UL為電感 L端電壓， IL 為流過 電感的電流， U 為電源電壓， UF為負(fù)載電壓， PULSE為觸發(fā)信號(hào)。圖 2-11 中第一張波形圖中紅色波形線表示流過電感電流， 黃色波形線表示電感 L 端電壓。 第二張圖中紅色波形線表 示電源電壓，黃色波形線表示負(fù)載電壓。第三張圖中波形表示觸發(fā)信號(hào)。 將脈沖發(fā)生器模塊里的脈沖寬度設(shè)為60%，再進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 2-12 所示。圖 2-12 脈沖寬度為 60%直流升壓斬波變換電路仿真結(jié)果圖 2-12 中第一張波形圖中紅色波形線表示流過電感電流，黃色波形線

23、表示電感 L 端電壓。 第二張圖中紅色波形線表示電源電壓， 黃色波形線表示負(fù)載電壓。 第三張圖中波形表示觸發(fā) 信號(hào)。由圖 2-11 、圖 2-12 和圖 2-4 比較可以看出，基于 Matlab 的 Boost 變換器仿真結(jié)果與理論 分析得出的結(jié)果是一致的。 在 Boost 直流變換器仿真模型中， 改變可關(guān)斷晶體管 GTO觸發(fā)脈 沖的占空比 D， Boost 變換器輸出電壓 與之相應(yīng)改變，且有 等于 /（1-D） ，與理論分析 得出的結(jié)果也是一致的。同時(shí)也驗(yàn)證了，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。3. 對(duì)降壓變換器的研究3.1. 降壓變換器的工作原理低于輸入電降壓變換器也稱為 Buck 變

24、換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓 壓。將式（ 2-2 ）代入式（ 2-1 ）可以得到輸出電壓平均值 15（3-1）式中 常數(shù)。從式（ 3-1 ）可見，輸出電壓平均值 隨控制電壓線性變化。在實(shí)際應(yīng)用中，存在如下問題：1. 實(shí)際的負(fù)載應(yīng)該是感性的。即使是阻性負(fù)載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因 此，采用圖 2-1 的電路可能由于電感上的感應(yīng)電壓毀壞開關(guān)管。 采用圖 3-1 的電路， 則電感 中儲(chǔ)存的電能可以通過二極管續(xù)流釋放給負(fù)載。2. 在大多數(shù)應(yīng)用中需要的是平穩(wěn)的直流電壓。而圖 2-1 的電路輸出電壓在 0 和 間變化。 采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓。

25、圖 3-1 所示電路的工作過程是： 在開關(guān)管導(dǎo)通期間， 圖 3-1 中的二極管反偏， 輸入提供能量 給電感，同時(shí)提供能量給負(fù)載。 但開關(guān)管關(guān)斷時(shí)， 電感電壓使二極管導(dǎo)通， 電感中存儲(chǔ)的能 量傳送給負(fù)載。圖 3-1 降壓變換器電路原理圖（a）濾波器前的電壓波形b ）頻譜（c ） 濾波特性圖 3-2 電壓波形、頻譜及濾波器特性 圖 3-2（a） 所示的輸入電壓 的波形，可以分解成直流分量 、具有開關(guān)頻率 的諧波分量， 如圖 3-2（b） 所示。采用由電感和電容組成的低通濾波器的特性如圖 3-2（c） 所示。低通濾波 器的角頻率 應(yīng)大大低于開關(guān)頻率 ，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關(guān)頻率造成

26、的紋波。假設(shè)輸出端的濾波電容足夠大， 則輸出電壓的瞬時(shí)值不變，即 。在穩(wěn)態(tài)情況下， 因?yàn)殡娙?電流平均值為 0，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值。3.1.1 電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況圖 3-3 給出了電流連續(xù)模式的工作波形和開關(guān)管導(dǎo)通和斷開時(shí)的等效電路。 在開關(guān)管導(dǎo)通期 間 ，輸入電源經(jīng)電感流過電流，二極管反偏。這導(dǎo)致在電感端有一個(gè)正向電壓 ，如圖 3-3（a） 所示。這個(gè)電壓引起電感電流 的線性增加； 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)， 由于電感中儲(chǔ)存電能， 產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使二極管導(dǎo)通， 經(jīng)二極管繼續(xù)流動(dòng)， ，電感電流下降，如圖 3-3（b） 所 示。在穩(wěn)壓情況下，波形是周期變化的，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的

27、積分為0，即（3-2）在圖 3-3 中，由式（ 3-2 ）所示， A部分的面積與 B部分的面積一定 相等，因此，得b）開關(guān)管斷開時(shí)的等效電路3-3)（a）開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖 3-3 降壓變換器電路的情況（假定 連續(xù)） 因此， 在電流連續(xù)模式中，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓 隨占空比而線性改變， 而與電路 其他參數(shù)無關(guān)。忽略電路所有元件的能量損耗，則輸入功率 等于輸出功率 ，即 = 因此故有（3-4）因此， 在電流連續(xù)模式下，降壓變換器相當(dāng)于一個(gè)直流變壓器，通過控制開關(guān)的占空比，可 以得到要求的直流電壓。由式 （3-4） 可知，輸入電流平均值 與輸出電流 是變比的關(guān)系，但當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，瞬時(shí)

28、 輸入電流從峰值跳變到 0，這樣對(duì)輸入電源會(huì)有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個(gè) 適當(dāng)?shù)臑V波器用來消除不必要的電流諧波。3.1.2 電流連續(xù)與斷續(xù)模式的邊界圖 3-4 給出了在電感電流臨界連續(xù)的情況下 和 的波形在臨界連續(xù)的情況下， 在斷開間隔 結(jié)束時(shí)，電感電流降為 0。用交表 B表示臨界連續(xù)情況下的電感電流平均值，得式中 電感電流的峰值。 因此，在所給的條件下，如果輸出電流平均值 式下。（3-5）比式（ 3-5 ）所給的 小，則工作在斷續(xù)模（a）電感電壓和電感電流波形（ b）保持 為常數(shù)時(shí) 與 的關(guān)系函數(shù)圖 3-4 臨界連續(xù)模式下的情況3.1.3 電流斷續(xù)模式時(shí)的工作情況在直流電機(jī)速度控

29、制系統(tǒng)中， 輸入電壓 基本上是不變的。 在直流可調(diào)電源的應(yīng)用中， 輸入 電壓 是變化的， 但輸出電壓 保持不變。 在電流斷續(xù)模式下， 以上兩種不同情況下的輸出 電壓表達(dá)式是不一樣的。1. 為常數(shù)時(shí)的工作情況 在直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)中，輸入電壓 保持不變，靠改變占空比 改變輸出電壓 。 在電流臨界連續(xù)的情況下， = ，由式（ 3-5 ）可得，電感電流平均值為由式（ 3-6 ）可知，保持 和其他參數(shù)不變，作在電流連續(xù)模式所需要的電感電流最大，即（3-6）是占空比 的函數(shù)。在 D=0.5 時(shí)，為保證工由式（ 3-6 ）和（ 3-7 ）可得(3-7)(3-8)圖 3-5 降壓變換器工作在斷續(xù)模式電感電

30、壓和電感電流波形 假設(shè)初始時(shí)變換器運(yùn)行在電流臨界連續(xù)情況下， 如圖 3-4（a） 所示，如果保持 ，L， 和 等 參數(shù)不變，當(dāng)輸出負(fù)載功率減小（即負(fù)載阻抗上升），則電感電流平均值下降，小于 ，電 感電流斷續(xù)。圖 3-5 顯示出當(dāng)負(fù)載阻抗上升時(shí)，導(dǎo)致電感電流斷續(xù)的波形。在圖 2-18 中的 的時(shí)間段，電感電流為 0，負(fù)載阻抗的能量?jī)H由濾波電容器單獨(dú)提供。在 該期間中，電感電壓為 0。電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分等于0，從而有3-9)所以 （3-10）式中， <1。從圖 3-5 可得（ 3-11 ）因此（3-12）（3-13 ）所以（3-14）由式（ 3-10 ）和式（ 3-14 ）有（3-1

31、5 ）圖 3-6 保持 不變時(shí)降壓變換器的特性曲線圖 3-6 給出了在輸入電壓不變時(shí)， 電流連續(xù)喝電流斷續(xù)兩種模式下降壓變換器的特性， 即在不同占空比時(shí)， 電壓變換率 與電流比 之間的函數(shù)關(guān)系。 圖中的虛線是電流連續(xù)和斷續(xù) 模式的界限。2. 為常數(shù)時(shí)的工作情況在直流可調(diào)電源的應(yīng)用中，輸入電壓 是變化的，通過改變占空比 保持輸出電壓 不變。 在電流臨界連續(xù)的情況下， = , 電感電流平均值為（ 3-16 ）式（ 3-16 ）表明：如果 不變，在 =0時(shí)， 為最大，即3-17)應(yīng)該注意到：相應(yīng) =0 時(shí)，要得到恒定的輸出電壓 ，則需要無窮大的輸入電壓 ，而這 時(shí)不可能的。由式 （3-16） 和式（

32、 3-17 ）可得3-18 ) 在保持輸出電壓 不變的情況下， 由式（3-8 ）、式（3-11）、式（3-17 ）可得占空比 與 的 函數(shù)關(guān)系式微（ 3-19 ）圖 3-7 給出了保持輸出電壓不變的情況下， 不同 是占空比 與 的函數(shù)關(guān)系曲線。 圖中的 虛線是電流連續(xù)斷續(xù)模式的界限。圖 3-7 保持 不變時(shí)降壓變換器的特性曲線3.2. 降壓變換器的仿真研究（a） 基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖 （b） 波形圖 圖 3-8 直流降壓變換的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 直流降壓斬波變換電路產(chǎn)生一個(gè)低于直流輸入電壓 的平均輸出電壓 。一個(gè)具有純電阻負(fù) 載的降壓變換的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-8 （a）所示。假定開關(guān)是理

33、想的，則瞬時(shí)輸出電壓與開關(guān)的通斷狀態(tài)。如圖 3-8 （ b）所示，根據(jù)開關(guān)占空比可計(jì)算平均輸出電壓為或表示為在連續(xù)到點(diǎn)的工作模式中， 當(dāng)輸入電壓一定時(shí)， 輸出電壓與開關(guān)的占空比成線性關(guān)系， 而與 任何其他電路參數(shù)無關(guān)，其實(shí)驗(yàn)電路如圖 3-9 所示圖 3-9 直流降壓斬波變換實(shí)驗(yàn)電路圖3.2.1. 降壓變換器的建模仿真啟動(dòng) MATLAB7.0，進(jìn)入 simulink 后新建文檔，繪制直流降壓斬波變換電路模型如圖3-10 。雙擊各個(gè)模塊，在出現(xiàn)的對(duì)話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù) 5 。1. 直流電壓源參數(shù)設(shè)置：直流電源電壓為100V。2. 電阻、電容和電阻參數(shù)設(shè)置： C=1e-3F， L=1mh，R=1 。

34、3. 脈沖發(fā)生器模塊 （pulse ）的參數(shù)設(shè)置： 振幅設(shè)置為 1V，周期為 0.001S ，脈沖寬度為 50%。 在圖 3-10 中 U 為電源電壓， IF 為流過負(fù)載電流， UVD為二極管端電壓， pulse 為觸發(fā)信號(hào)， UF為負(fù)載電壓。對(duì) Buck 變換器電路模型進(jìn)行仿真。 在使用晶閘管 GTO，MOSFE，T IGBT 等元件的仿真模型中， 仿真時(shí)使用剛性積分算法，通常使用Ode15s 或 Ode23tb 以獲得最好的仿真速度。圖 3-10 直流降壓斬波變換電路模型圖仿真結(jié)論仿真開始時(shí)間為 0.0s, 停止時(shí)間設(shè)置為 0.02s 。Buck 變換器電路模型仿真如圖 3-11 所示。 設(shè)置好各模塊參數(shù)后， 單擊工具欄的 按鈕進(jìn)行仿真。 雙擊示波器模塊模塊， 得到仿真結(jié)果 如圖 3-11 所示。圖 3-11 脈沖寬度為 50%直流降壓斬波變換電路仿真結(jié)果圖 3-11 中第一張波形圖表示電源電壓。第二張波形圖，紅色的波形線表示二極管端電壓， 黃色的波形線表示流過負(fù)載電流。第三張表示觸發(fā)信號(hào)。第四張表示負(fù)載電壓。 將脈沖發(fā)生器模塊里的脈沖寬度設(shè)為80%，再進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 3-12 。圖 3-12 脈沖寬度為 80%直流降壓斬波變換電路仿真結(jié)果圖 3-12 中第一張波形圖表示電源電壓。第二張波形圖，紅色的波形線表示二極管端電壓