升壓-降壓式變換器的仿真設(shè)計

1、目錄摘要-1 -設(shè)計目的-1-設(shè)計原理-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)計過程-4-一、仿真原理圖4二、仿真設(shè)計的詳細(xì)過程-5-結(jié)果-6-總結(jié)心得體會-10-參考文獻(xiàn)-11 -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，Ze怡斬波電路，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，也稱為直接直流一直流變換器。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，又用Matlab對升壓降壓變換器進(jìn)行了仿真建模，最

2、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Boost-Buck電路 進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。設(shè)計目的本次設(shè)計的預(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，并在理解的基礎(chǔ) 上會對直流斬波電路進(jìn)行分析計算，加深對直流斬波電路的掌握及應(yīng) 用。2、熟練運用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Boost-Buck電路進(jìn)行仿真分析，認(rèn) 真做

3、好每個步驟。以提高設(shè)計建模的能力及加強對Matlab/Simuliiik 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)和研究中的使用價值。設(shè)計原理一、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。圖中實線 部分表示開關(guān)器件導(dǎo)通時的回路，虛線部分表示器件關(guān)斷時的續(xù)流回 路。1、t=to時s閉合，電源ui向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=iiio2、Ltl時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=2時亥Ij, s再次閉合，重復(fù)上述過程。由電

4、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，有廠q(i-q)= o化簡可得：電感電流斷續(xù)時，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21所示。在圖21中, 實線部分表示開關(guān)器件導(dǎo)通時的回路，虛線部分表示開關(guān)器件關(guān)斷時 的回路1、假設(shè)L和C值很大。2、s閉合時，電源ui向電感L充電，電容C向負(fù)載R供電3、s斷開時，電源ui和電感L同時向電容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。電感電

5、流連續(xù)時，有W 十(5乙廠。)(1-Q) = 0化簡可得:電感電流斷續(xù)時，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。實線部分表示開關(guān)器 件導(dǎo)通時的回路，虛線部分表示開關(guān)器件關(guān)斷時的回路1、S閉合時，電源iii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，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。圖3-1 BUCK-BOOST電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)U。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，有化簡可得電感電流斷續(xù)

6、時，有化簡可得由此可以看出，電感電流斷續(xù)時，BUCK-BOOST斬波電路的輸 出電壓也增大。設(shè)計過程一、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EJT（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。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，驅(qū) 動功

7、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、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，減少誤差，利于仿真 結(jié)果的分析。二、仿真設(shè)計的詳細(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(BuckChop-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 R=50Q, C=3e-06F；(5) 電感支路L=95e5H(6) 打開仿真參數(shù)窗口，選擇od

8、e23tb算法，相對誤差設(shè)置為 le-03,開始仿真時間設(shè)置為0,停止仿真時間設(shè)置為0.002 s；(7) 控制脈沖周期設(shè)置為le04s,控制脈沖占空比分別設(shè)為 50%、33.3%、75%o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IGET 電流，Id為二級管電流，II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3

9、3.3%,仿真結(jié)果如 圖（4）所示圖(4)脈沖為33.3%時仿真結(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; 理論計算：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 制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，通

10、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)，不僅可以實現(xiàn)調(diào)壓的功能，而且還可以達(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:a r;若改變導(dǎo)通比a,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 a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2 a 1時為升壓，輕松實現(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Simuliiik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)

11、電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比 較，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。采用Matlab/Simuliiik對直流斬波電路進(jìn)行仿真分析，避免了常 規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，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)稍作改變即可實現(xiàn)，因此實用性較強。應(yīng)用Matlab/Simuliiik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

12、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，并在理解的基礎(chǔ)上能對直流斬波電路進(jìn)行分析 計算，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Simuliiik對升降壓斬波Boost -Buck電路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真庫里的原器件，增強 了畫圖能力，使用示波器，可以在運行方針時簡明地觀察到仿真結(jié)果, 還可將多個結(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Simuliiik的功能的齊全及使用的便捷。同時在仿真建模的 基礎(chǔ)上對升降壓斬波Boost-Buck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)計建模的能 力、分析總結(jié)能力及加強了對Matlab/Simuliiik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，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)用價值，同時它也是能 讓我們將理論與實踐相結(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為之前并非本專業(yè)的學(xué)生，加上時間倉促個人經(jīng)驗知識水平有 限，所以很多地方還是一知半解，