自動化專業(yè)方向課程設(shè)計基于MATLAB的升壓降壓式變換器的仿真

1、專業(yè)方向設(shè)計報告課程名稱： 自動化專業(yè)方向課程設(shè)計 設(shè)計名稱：基于matlab的升壓-降壓式變換器的仿真 姓 名： 學 號: 班 級： 指導教師： 起止日期： 2011-11-102011-12-6 西南科技大學信息工程學院制方 向 設(shè) 計 任 務 書學生班級：自動0804 學生姓名： 陸 紅 偉 學號：20085104 設(shè)計名稱：基于matlab升壓降壓式變換器的仿真 起止日期：2011-11-102011-12-6 指導教師：李 麗 設(shè)計要求：、理解升壓降壓式變換器的電路圖，對電路中的元器件的作用有深刻的認識。、在對升壓-降壓（boost-buck）式變換器電路理論分析的基礎(chǔ)上，建立基于s

2、imulink的升壓降壓式變換器的仿真模型、運用絕緣柵雙極晶體管（igbt）對升壓降壓進行控制，并對工作情況進行仿真分析與研究。 、在實際操作中，驗證所設(shè)計仿真模型的正確性。方 向 設(shè) 計 學 生 日 志時間設(shè)計內(nèi)容11月8日分析題目要求，目的11月10日聯(lián)系指導老師，了解其具體要求和做法11月15日收集資料，構(gòu)建仿真電路草圖11月17日在matlab中找相應電力電子器件構(gòu)建模型11月20日仿真電路，修改自己能發(fā)現(xiàn)的問題11月28日找指導老師答疑，解決自己未能處理的問題11月29日完成整個電路的仿真12月1日寫設(shè)計報告12月3日修改并完成報告，整個設(shè)計過程結(jié)束基于matlab的升壓降壓式變換器

3、的仿真 一、摘要 直流斬波電路就是將直流電壓變換成固定的或可調(diào)的直流電壓，也稱dc/vc變換。使用直流斬波技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)調(diào)壓功能，而且還可以達到改善網(wǎng)側(cè)諧波和提高功率因素的目的。直流斬波技術(shù)主要應用于已具有直流電源需要調(diào)節(jié)直流電壓的場合。直流斬波包括降壓斬波電路、升壓斬波電路和升降壓斬波電路。而利用升壓降壓變換器，既可以實現(xiàn)升壓，也可以實現(xiàn)降壓。關(guān)鍵詞 matlab 升壓降壓式變換器 斬波電路 仿真二、設(shè)計目的和意義通過對升壓-降壓（boost-buck）式變換器電路理論的分析，建立基于simulink的升壓-降壓式變換器的仿真模型，運用絕緣柵雙極晶體管（igbt）對升壓降壓進行控制，并對

4、工作情況進行仿真分析與研究。通過仿真分析驗證所建模型的正確性。三、設(shè)計原理 升壓-降壓式變換器電路圖如圖1所示。設(shè)電路中電感l(wèi)值很大，電容圖1 升壓-降壓式變換器電路圖圖c值也很大，使電感電流和電容電壓基本為恒值。設(shè)計原理是：當可控開關(guān)v出于通態(tài)時，電源經(jīng)v向電感l(wèi)供電使其貯存能量，此時電流為，方向如圖1中所示。同時，電容c維持輸出電壓基本恒定并向負載r供電。此后，使v關(guān)斷，電感l(wèi)中貯存的能量向負載釋放，電流為，方向如圖1中所示?？梢?，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，因此該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)定時，一個周期t內(nèi)電感l(wèi)兩端電壓對時間的積分為零 則 ： 當v處于通態(tài)期間時，；而

5、當v處于端態(tài)期間時，。于是，所以輸出電壓為:其中=1-，若改變導通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當00.5時為降壓，當0.51時為升壓，如此可以實現(xiàn)升壓-降壓的變換，該電路稱作升降壓斬波電路即升降壓變換器。圖2中給出了電源電流和負載電流的波形，設(shè)兩者的平均值分別為和，當電流脈動足夠小時，有 可得如下圖2 升降壓電路電源電流及負載電流波形 如果v、vd為沒有損耗的理想開關(guān)時，則: ，其輸出功率和輸入功率相等，可將其看作直流變壓器。四、詳細設(shè)計步驟 1、在matlab中的simulink下畫出仿真模型。打開power system工具箱中的電力電子模塊組,分別復制一個igb

6、t 模塊、二極管diode 模塊到模型中。打開igbt 對話框,按照默認值設(shè)置相關(guān)參數(shù),并取消內(nèi)部緩沖電路,即rs=inf、cs=0。打開電源模塊, 復制一個直流電壓源模塊us，電壓源us=100v 。打開元件和接地模塊組, 復制一個串聯(lián)rlc元件模塊和一個并聯(lián)rlc原件模塊以及接地模塊到模型窗口中打開參數(shù)設(shè)置對話框, 要將串聯(lián)的rlc電路改單個l原件，設(shè)置參數(shù)為r=0、l=5mh，c=inf。將并聯(lián)的rlc原件模塊改成并聯(lián)的rc模塊，設(shè)置參數(shù)為r=50、l=inf、c=3e-6從simulink 信號與系統(tǒng)模塊組中復制一個具有兩個輸出信號的分離器,輸入端連接到igbt 的m 端(用于igbt

7、 電流和電壓的測量), 一個輸出端接到示波器scope 的輸入端上。從simulink 輸入源模塊組中復制一個脈沖發(fā)生器模型模型窗口中,命名為pulse并將其輸出接到igbt 的門極上。從連接器模塊組中復制兩個t 連接器到仿真模型窗口中, 作為多元件連接的節(jié)點。2、設(shè)計仿真電路模型圖如圖3所示：負載為阻性rlc時：負載為電容c時：負載為rlc串接反電動勢： 圖3 升壓-降壓式變化器仿真電路模型圖 3、仿真打開仿真參數(shù)窗口, 選擇ode23tb 算法,相對誤差設(shè)置為 1e-03,開始仿真時間設(shè)置為0,停止仿真時間設(shè)置為 0.002s 打開脈沖發(fā)生器窗口，參數(shù)設(shè)置：幅值=10，周期=0.0001，

8、占空比分別為30%、50%、75%。通過示波器可以得出在不同的占空比下，igbt的電流值，電感的電流值以及負載的電壓值，波形圖如下。其中，ic為igbt電流，il為電感電流，v為負載輸出電壓1、當負載為rlc時，設(shè)置參數(shù)為r=50、l=inf、c=3e-6f，觀察輸出波形。a、圖4為占空比為30%時， ic、v、il的值 圖4占空比為30%時ic、v、il的值b、占空比為50%時ic、v、il的值 圖5占空比為50%時ic、v、il的值c、占空比為75%時ic、v、il的值 圖6 占空比為75%時ic、v、il的值2、改變電路中電容c值，設(shè)置參數(shù)c=3e-5f，r=0，觀察輸出值。a、占空比為

9、30%時，以下分別為ic、v、il的值 圖7占空比為30%時 ic、v、il的值b、占空比為50%時，以下分別為ic、v、il的值 圖8 占空比為50%時ic、v、il的值c、占空比為75%時，以下分別為ic、v、il的值 圖9 占空比為75%時 ic、v、il的值3、在負載為串聯(lián)rlc和反電動勢e串聯(lián)情況下，設(shè)置參數(shù)e=20v、r=50、l=inf、c=3e-6f；仿真參數(shù)中的停止時間修改為0.01s。觀察在不同占空比下的輸出a、當占空比為30%時，以下分別為ic、v、il的值 圖10 當占空比為30%時ic、v、il的值b、占空比為50%時，以下分別為ic、v、il的值圖11 占空比為50

10、%時ic、v、il的值c、占空比為75%時，以下分別為ic、v、il的值 圖12 占空比為75%時ic、v、il的值五、仿真結(jié)果分析： 分析仿真結(jié)果可得：在改變占空比既導通角是，就可相應地改變負載的電壓值。當00.5時為降壓，當0.51時為升壓仿真中，在負載為rlc的情況下，= 0.3時，如圖4，輸出電壓比電源電壓低，仿真得到的負載電壓在示波器顯示中數(shù)值在40v時保持穩(wěn)定，達到了降壓的效果，=0.5時，如圖5所示，負載電壓在示波器顯示中數(shù)值穩(wěn)定在100v，則和電源電壓一樣，此時電路既沒有升壓也沒有降壓，而當=0.75時，如圖6所示，仿真得到的負載電壓在示波器顯示中數(shù)值在220v時保持穩(wěn)定，達到

11、了升壓的效果。在負載為電容c的情況下，通過圖7圖9可得，當導通角= 0.3時，負載輸出的電壓值明顯小于電源電壓；而= 0.75時，負載輸出的電壓高于電源電壓。而在負載為串聯(lián)rlc和反電動勢e串聯(lián)情況下，在和負載為rlc的情況作對比即觀察圖4與圖10可以明顯得出結(jié)論，此時的輸出電壓v=u+e（其中u為負載在僅有rlc情況下的輸出電壓，e為接入電路中反電動勢的設(shè)置值），因此該電路負載的輸出電壓的最小值為e。在改變導通角的時候就改變了u，即是改變了v。依據(jù)上述的幾種情況，可以得出，該電路及仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)升壓-降壓的變換。六、在建立仿真模型和仿真過程中遇到的問題及解決方法1、 在simulink中找

12、不到單個的電感l(wèi)和并聯(lián)rc電路。解決方法：在通過查閱matlab應用技術(shù)在這本書后，發(fā)現(xiàn)可以將串聯(lián)的rlc電路原件改成單個的r原件、單個的l原件和單個的c原件。而并聯(lián)的rlc電路也可改成任何的兩個要原件的并聯(lián)電路。將串聯(lián)的rlc電路原件改成單個l原件的方法為修改其參數(shù)，設(shè)定r=0，c=inf。將并聯(lián)rlc電路原件改成并聯(lián)rc電路也是設(shè)定參數(shù)，設(shè)定l=inf。2、 為了測定二極管的電流，但是在simulink中能找到的二極管diode少了一個引腳，在電力電子技術(shù)書中說gto和二極管參數(shù)基本相同，于是我用gto代替二極管diode，可是在仿真的時候出現(xiàn)錯誤。解決方法：在通過李老師的講解后，明白此處

13、不能用gto，因為此處沒有g(shù)to的觸發(fā)電路，gto沒能導通，還是要用二極管diode，但不用測二極管電流，所以simulink中找到的二極管diode符合要求。3、 在模型建立正確的基礎(chǔ)上，仿真時不能得到正確的波形解決方法：通過分析，真是參數(shù)沒有設(shè)定對的原因，于是在網(wǎng)上搜索了關(guān)于該模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，還是沒有得到正確的結(jié)果。在經(jīng)過李老師的詳細講解過后，了解了相關(guān)參數(shù)設(shè)定的大致范圍。其中并聯(lián)rc電路中得c應該很小，經(jīng)過多次嘗試后，將c=3ef改為c=3e-6f，將停止仿真時間設(shè)置由0.0015s改為 0.002s，而脈沖周期由原來的0.00001改為0.0001 七、總結(jié)在以前的電力電子技術(shù)學

14、習中，升壓-降壓式變換電路既升-降壓直流斬波電路是一個學習重點，通過老師的講解和教材的詳細理論分析后，對整個電路的工作原理以及該電路實現(xiàn)的功能都有了充分的了解。而這次對該電路的仿真，即是一次實踐對理論的驗證。 在對升壓-降壓式變換電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用matlab面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于simulink的升壓-降壓式變換電路的仿真模型，并對其進行了仿真研究。通過對以上的仿真過程以及輸出電壓波形結(jié)果的分析，成功地驗證了該電路的功能；即通過改變導通比，則可以輸出電壓的大小，即可小于電源電壓，也可大于電源電壓。當00.5時，輸出電壓小于電源電壓，此時電路為降壓；當0.5

15、1時，輸出電壓大于電源電壓，此時電路為升壓 。應用matlabsimulink進行仿真，可以在仿真過程中靈活改變仿真參數(shù)，并且能通過示波器直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的改變而變化得情況。而這整個過程的仿真，比其它任何方法都直觀明了，還省去了很多復雜過程。應用matlab對升降壓式變換器電路仿真研究時，我們就可以在改變不同的導通比的情況下較為直觀的觀察負載電壓的輸出變化。matlab提供的可視化仿真工具simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用simulink對升壓-降壓式變換電路進行建模，在不同導通比的情況下

16、進行了仿真分析，在進一步加深了升壓-降壓式變換電路的理論的同時也為電力電子技術(shù)的學習和電力電子器件的性能和相關(guān)參數(shù)的掌握起了很好地促進作用。matlab作為一種集數(shù)學計算、分析、可視化、算法開發(fā)與發(fā)布等于一體的軟件平臺，通過其及相關(guān)工具，可以在統(tǒng)一的平臺下完成相應地科學技術(shù)工作。不僅是對matlab矩陣的運算，還可以對算法、圖形、圖像、報告以及各種仿真，并且還能大大提高工作效率，達到事半功倍的效果。這次關(guān)于對升降壓式變換器電路的建立和仿真只是應用其中的一小部分功能，這完美地凸顯了該軟件的功能強大，還需要以后更多地學習。八、體會這一次的專業(yè)方向的課程設(shè)計，它作為畢業(yè)設(shè)計的”熱身”，我們在完成題目要求的同時還要總結(jié)經(jīng)驗，盡可能對畢業(yè)設(shè)計有所幫助。通過這次的課程設(shè)計，我在成功地驗證了所建電路模型的正確性的同時，并且對matlab更加地熟練以及電力電子器件有了更深的了解。而整個仿真過程讓我收獲頗豐。從知道題目之后，我就開始著手題目的分析以及相關(guān)資料的收集，所學過的知識解決不了就通過網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上沒有的就借用圖書館的書籍資料。雖然這個尋找的過程有很多的失望，但這個過程就是收獲的過程，我不僅僅找到了對這個題目有用地知識外，還有意