電力電子課程設(shè)計(jì)--Boost電路的建模與仿真

1、課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱： 電力電子課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： boost電路的建模與仿真 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 二一五 年 一 月2目錄引言 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3第一章 電路原理分析4第二章 電路狀態(tài)方程52.1 當(dāng)v處于通態(tài)時(shí)52.2 當(dāng)v處于斷態(tài)時(shí)5第三章 電路參數(shù)的選擇63.1 占空比的選擇63.2 電感l(wèi)的選擇63.3 電容c的選擇73.4 負(fù)載電阻r的選擇7第四章 電路控制策略的選擇84.1電壓閉環(huán)控制策略84.2 直接改占空比控制輸出電壓8第五章 matlab編程95.1 定義狀態(tài)函數(shù)95.2 主程序的編寫95.3 運(yùn)行結(jié)果12第六章 sim

2、ulink仿真166.1 電路模型的搭建166.2 仿真結(jié)果16第七章 結(jié)果分析18參考文獻(xiàn)19引言 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目boost電路建模、仿真任務(wù)建立boost電路的方程，編寫算法程序，進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，合理選取電路中的各元件參數(shù)。要求課程設(shè)計(jì)說明書采用a4紙打印，裝訂成本；內(nèi)容包括建立方程、編寫程序、仿真結(jié)果分析、生成曲線、電路參數(shù)分析、選定。 v1=20v10%v2=40vi0=0 1af=50khz第一章 電路原理分析boost電路，即升壓斬波電路（boost chopper），其電路圖如圖11所示。電路中v為一個(gè)全控型器件，且假設(shè)電路中電感l(wèi)值很大，電容c值也很大。當(dāng)v處

3、于通態(tài)時(shí)，電源e（電壓大小為）向電感l(wèi)充電，電流流過電感線圈l，電流近似線性增加，電能以感性的形式儲(chǔ)存在電感線圈l中。此時(shí)二極管承受反壓，處于截?cái)酄顟B(tài)。同時(shí)電容c放電，c上的電壓向負(fù)載r供電，r上流過電流r兩端為輸出電壓（負(fù)載r兩端電壓為），極性為上正下負(fù)，且由于c值很大，故負(fù)載兩端電壓基本保持為恒值。當(dāng)v處于斷態(tài)時(shí)，由于線圈l中的磁場將改變線圈l兩端的電壓極性，以保持不變，這樣e和l串聯(lián)，以高于電壓向電容c充電、向負(fù)載r供電。下圖12為v觸發(fā)電流和輸出負(fù)載電流的波形，圖13為電感充放電電流的波形。圖21第二章 電路狀態(tài)方程為了方便后面matlab程序的編寫，此文中選取電感電流il和電容電壓v

4、2為兩個(gè)狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程。2.1 當(dāng)v處于通態(tài)時(shí)電源e對(duì)l充電，設(shè)電感電流初值為，即由可得l電流為：設(shè)通態(tài)時(shí)間為，則時(shí)l電流達(dá)到最大， （式21）同時(shí)，電容c向負(fù)載供電，其電流為：電路狀態(tài)方程如下：2.2 當(dāng)v處于斷態(tài)時(shí)電源和電感l(wèi)同時(shí)向負(fù)載r供電，l電流的初始值則為v處于通態(tài)的終值，由可得： （式22）設(shè)斷態(tài)時(shí)間為，則時(shí)l電流將下降到極小值，即為，故由（式22）得：，于是得到。令，并設(shè)占空比，升壓比為，其倒數(shù)為，則與的關(guān)系可表示為： （式23）由此式可見，故，則達(dá)到電壓升高的目的。電路狀態(tài)方程如下：第三章 電路參數(shù)的選擇3.1 占空比的選擇由（式23）可得：，其中v1=12v10% ，

5、v2=24v故可得：3.2 電感l(wèi)的選擇在該電路中，前面已經(jīng)假設(shè)電感l(wèi)的值必須足夠大，在實(shí)際中即要求電感有一個(gè)極限最小值，若l，將導(dǎo)致電感電流斷續(xù)，并引起mosfet元件v和續(xù)流二極管vd以及電感l(wèi)兩端的電壓波形出現(xiàn)臺(tái)階，如圖31所示。 這種情況將導(dǎo)致輸出電壓紋波增大、電壓調(diào)整率變差，為防止此不良情況的出現(xiàn)，電感l(wèi)需滿足下式要求： （式31）根據(jù)臨界電感的定義可知，當(dāng)儲(chǔ)能電感時(shí)，v導(dǎo)通時(shí)，通過電感的電流都是從零（即）近似線性增加至其峰值電流，而v截止期間，由下降到零。在此情況時(shí)，剛好處在間斷與連續(xù)的邊緣，而且mosfet、二極管和電感兩端電壓的波形也剛好不會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階，此時(shí)電感電流的平均值正好是

6、其峰值電流的一半。即 （式32） 且此時(shí)有，代入（式23）得：（式33）由（式32）和（式33）得： （式34）根據(jù)電荷守恒定律，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電感l(wèi)在v截止期間所釋放的總電荷量等于負(fù)載在一個(gè)周期t內(nèi)所獲得的電荷總量，即（式35）由（式34）和（式35）得： （式36）已知數(shù)據(jù)v2=24v，并取v1=12v，代入（式36）得：故由（式31）得：3.3 電容c的選擇在該電路中，當(dāng)v截止、vd導(dǎo)通時(shí)，電容c充電，上升，此時(shí)流過二極管vd的電流等于電感l(wèi)的電流。設(shè)流過c的電流為，流過r的電流為（此處將其近似看成一周期內(nèi)的平均值為），則 （式37）由（式37）與（式22）得：通過求出期間充電電壓

7、的增量，就可得到輸出脈動(dòng)電壓峰峰值 （式38）由于此過程中負(fù)載電流可看成線性變化，且認(rèn)為電容c的電壓由0開始上升，并且到時(shí)電感l(wèi)電流剛好下降為0，故 （式39） （式310）將（式39）和（式310）代入（式38）并整理得： （式311）已知v1=12v，v2=24v，取，則由（式311）得：當(dāng)取時(shí)，當(dāng)取時(shí)，當(dāng)取時(shí)，3.4 負(fù)載電阻r的選擇根據(jù)公式可得：第四章 電路控制策略的選擇4.1電壓閉環(huán)控制策略在前面提到電容c假設(shè)為很大的值，但由于實(shí)際上c不可能無窮大，所以輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)較為理想的范圍內(nèi)，通過測量輸出端的電壓，與電壓給定值比較，得到誤差，再經(jīng)過pi調(diào)節(jié)

8、器，送到pwm脈沖發(fā)生器的輸入端，利用pwm的輸出脈沖來控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓v0大于給點(diǎn)值vref時(shí)，(v0-vref)增大，從而pwm脈沖的占空比d增大，由v0=v1/(1-)可知，v0減小，從而控制v0保持不變。控制流程圖如下：圖4-14.2 直接改占空比控制輸出電壓假設(shè)某次計(jì)算中占空比為，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為；而理想的輸出為，對(duì)應(yīng)的占空比為，則有：，由此可得：因此每隔一定時(shí)間根據(jù)輸出電壓的變化利用上式計(jì)算出新的占空比，這樣就能使電壓逐步逼近并穩(wěn)定在期望值附近。故電路的控制策略如下：首先計(jì)算出電路的時(shí)間常數(shù)，由此來確定改變占空比的頻率，在每個(gè)調(diào)整點(diǎn)測量電路的實(shí)際輸出電壓，利用公式

9、計(jì)算得出新的占空比，從而調(diào)整電路輸出電壓。第五章 matlab編程5.1 定義狀態(tài)函數(shù)a) v導(dǎo)通時(shí)電感的電流和電容電壓的狀態(tài)方程，定義函數(shù)如下：function y=funon(t,x)global v1 r c l;y=v1/l;-x(2)/(r*c);b) v關(guān)斷時(shí)電感的電流和電容電壓的狀態(tài)方程，定義函數(shù)如下：function y=funoff(t,x)global v1 r c l;y=( v1-x(2)/l;(x(1)*r-x(2)/(r*c);c) v關(guān)斷且電感電流出現(xiàn)不連續(xù)時(shí)的狀態(tài)方程，定義函數(shù)如下：function y=funoffdiscon(t,x)global v1 r

10、c l;y=0;-x(2)/(r*c);5.2 主程序的編寫clear;%清除工作空間global v1 r c l %定義全局變量l=300e-6;%輸入電感l(wèi)的值c=33.33e-6;%輸入電容c的值r=120;%輸入電阻r的值f=50000;%輸入頻率f的值t=1/f;%輸入周期t的值n=3;m=2000%定義迭代計(jì)算的輪數(shù)（3）和每輪的計(jì)算周期數(shù)（2000）t01=zeros(m,1); t02=zeros(n,1); x10=0,0;%設(shè)定電感電流和輸出電壓的迭代初值a=1/2;%初始占空比v1=12 %電路輸入電壓tt=,xx=for j=1:nton=t*a %三極管開通時(shí)間 t

11、off=(1-a)*t %三極管關(guān)斷時(shí)間t02(j)=(j-1)*m*t %用于記錄迭代過的總周期數(shù)for i=1:mt01(i)=(i-1)*t; %用于記錄每一輪中已迭代周期數(shù)t,x1=ode45(funon,linspace(0,ton,6),x10);%調(diào)用函數(shù)求解三極管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài)方程tt=tt;t+t01(i)+t02(j);%用于記錄已迭代的總周期數(shù)xx=xx;x1;%用于記錄已求得的各組電感電流和輸出電壓值 x20=x1(end,:);%將最后一組數(shù)據(jù)作為下一時(shí)刻的初值 t,x2=ode45(funoff,linspace(0,toff,6),x20);%調(diào)用函數(shù)求解三極管截止

12、時(shí)的狀態(tài)方程if x2(end,1)0 %此時(shí)電感電流出現(xiàn)斷續(xù)for b=1:length(x2) %此循環(huán)檢驗(yàn)從哪個(gè)時(shí)刻開始電感電流降為0if x2(b,1)i1) | (xx(p,1)v1) | (xx(p,2)v2) biaozhi=0;break; end;biaozhi = 1; end; if biaozhi =1 ,vts =k*0.12/72774;break;end;enddisp(輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)間),vtsdisp(電感電流調(diào)節(jié)時(shí)間),its5.3 運(yùn)行結(jié)果取v1=12v，a=0.5，r=100歐，并依據(jù)上面3.3中的計(jì)算結(jié)果，取不同的電感值和電容值進(jìn)行仿真，比較輸出波形，

13、對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。a) 取，輸出電壓的波形如下：電感電流il的波形如下：b) 取，輸出電壓的波形如下：電感電流的波形如下：c) 取，輸出電壓的波形如下：電感電流的波形如下：第六章 simulink仿真利用matlab的simulink模塊對(duì)boost電路進(jìn)行仿真，由于simulink提供了模塊化的元件，只要將構(gòu)成boost電路的各個(gè)元件連接起來便可以搭建boost電路模型，對(duì)元件設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)后，對(duì)電路進(jìn)行仿真，同時(shí)用示波器觀察電路響應(yīng)、分析電路特性。6.1 電路模型的搭建電路模型如下所示：圖6-16.2 仿真結(jié)果對(duì)上面5.3中的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行simulink仿真，并利用示波器輸出結(jié)果，各組波

14、形圖如下（注：上圖為輸出電壓波形，下圖為電感電流波形）。a) 取，b) 取，c) 取，由上圖可見，輸出電壓和電感電流的衰變已明顯變緩，輸出電壓最終將穩(wěn)定在24v左右，電感電流的平均值最終也將穩(wěn)定于0.4a左右，可見電路參數(shù)已基本滿足設(shè)計(jì)要求。第七章 結(jié)果分析 對(duì)matlab編程仿真結(jié)果和用simulink進(jìn)行電路模型仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，可以看出，當(dāng)電感l(wèi)變大時(shí)，電感電流波形的衰變速度變緩、振蕩幅度減小，且趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)波形的脈動(dòng)較??；電感減小時(shí)則反之。在開始的一段時(shí)間出現(xiàn)比較明顯的振蕩，并且經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著電感值得增大，調(diào)節(jié)時(shí)間也增大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度下降。故在實(shí)際中為了平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，電感的取值會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，若不考慮系統(tǒng)的擾動(dòng)，電感取值可以盡量大些。 另一方面，當(dāng)電容增大時(shí)，輸出電壓波形的衰減變緩，趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)脈動(dòng)較小，調(diào)節(jié)時(shí)間變短，但其振蕩幅度會(huì)有一定的增大；電容減小時(shí)則反之，且與電感電流的情況類似。在開始的一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)比較明顯的振蕩，但相對(duì)于電感電流振蕩幅度小很多。用matlab程序得出的結(jié)果更接近理想值24v,而用simulink仿真得出的結(jié)果誤差比較大，可能是采取的求解方法不一樣。 對(duì)于電阻r，主要是由輸出電壓和負(fù)載電流所決定的，由于電容的