(完整word版)電力電子課程設(shè)計(jì)--Boost電路的建模與仿真-精品.doc

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1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 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Simulink仿真166.1電路模型的搭建16

2、6.2仿真結(jié)果16第七章結(jié)果分析18參考文獻(xiàn)19- 2 -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- 3 -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 值很大，電容 C值也很大。當(dāng)V 處于通態(tài)

3、時(shí)，電源E（電壓大小為 V1 ）向電感 L 充電，電流 i L 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 I 0 R兩端為輸出電壓 U 0 （負(fù)載 R兩端電壓為 V2 ），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(chǎng)將改變線圈 L 兩端的電壓極性，以保持i L 不變，這樣 E和 L 串聯(lián)，以高于 U 0 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

4、流的波形。圖 21- 4 -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i L 和電容電壓 V2 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I L0 ，即由 VLdi LV1LV1 dtV1 t I L0dt可得 L 電流為： iLLLV1 ton設(shè)通態(tài)時(shí)間為 ton ，則 tton 時(shí) L 電流達(dá)到最大， iL.maxI L0（式 21）L同時(shí)，電容 C向負(fù)載供電，其電流為：icdV 2V 2CRdt電路狀態(tài)方程如下：di LVLV1dtLLdV2V2dtCR2.2當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí)電源和電感 L 同時(shí)向負(fù)載

5、R供電， L 電流的初始值則為V 處于通態(tài)的終值 iL .max ，由 VL L di LV1V2 可得： iLV1V2 dtV1LV2 tiL .max（式 22）dtL設(shè)斷態(tài)時(shí)間為 toff，則 t toff 時(shí) L 電流將下降到極小值，即為IL0，故由（式 22）得： I L 0V1 V2 toffiL .max ， 于是得到 V1 (tontoff )V2t off 。L令 Tton t off，并設(shè)占空比ton，升壓比為T，其倒數(shù)為toffT，toffT則 V1 與 V2 的關(guān)系可表示為： V21 V1（式 23）1，故 V21由此式可見，V1 ，則達(dá)到電壓升高的目的。電路狀態(tài)方程如

6、下：di LV1V2dtLdV2i L RV2dtRC- 5 -第三章電路參數(shù)的選擇3.1 占空比的選擇由（式 23）可得：V2 V1 ，其中 V1=12V 10% ， V2=24VV2故可得： 0.450.553.2電感 L 的選擇在該電路中， 前面已經(jīng)假設(shè)電感 L 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 Lmin ，若 LLmin ，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 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 需滿足下式要求：L 1.3Lmin（式）

7、3 1根據(jù)臨界電感 Lmin 的定義可知，當(dāng)儲(chǔ)能電感 LLmin 時(shí)， V 導(dǎo)通時(shí)，通過電感的電流 i L 都是從零（即 I L 0 0 ）近似線性增加至其峰值電流iL max ，而 V 截止期間，i L 由 iL max 下降到零。在此情況時(shí)， i L 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 iL 的平均值 I L正好是其峰值電流 iL max 的一半。即I L 1iL max（式 32）2V2V1且此時(shí)有 I L0 0 ， L Lmin ，代入（式 23）得： iL.maxtoff （式 33）Lmin由（式 32）和（式

8、 33）得： I L 1V2 V1toff（式 34）2Lmin根據(jù)電荷守恒定律， 電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)， 電感 L 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I L toffI 0T（式）3 5由（式 3 4）和（式 35）得：- 6 -2(V2V1 )T12(V2 V1 )T V12(V2 V1)t off/ V2（式 36）Lmin2TI 02I 02TI 00 0.5A，已知數(shù)據(jù) V =24V，T 1/f0.02ms，并取 V =12V， I21代入（式 36）得： Lmin60H故由（式 31）得： L1. 3L78Hmin3.3電容 C的選擇在該電

9、路中，當(dāng) V 截止、 VD導(dǎo)通時(shí)，電容 C 充電，V2 上升，此時(shí)流過二極管 VD的電流iD等于電感L的電流i L。設(shè)流過C的電流為iC，流過R的電流為（此i2處將其近似看成一周期內(nèi)的平均值為I 0 ），則 iCiDi2i LI 0（式 37）由（式 37）與（式 22）得： iCV1V2 tiL maxI 0L通過 iC 求出 toff 期間 C 充電電壓的增量，就可得到輸出脈動(dòng)電壓峰峰值U1toffiC dt1 t off(V1V2 ti L maxI 0 )dtC0C 0L1 (i L maxI 0 )toffV1V2toff2 （式 38）C2L由于此過程中負(fù)載電流可看成線性變化， 且

10、認(rèn)為電容 C的電壓由 0 開始上升，并且到 ttoff時(shí)電感 L 電流剛好下降為0，故i L maxV2 toff（式 39）L2I 0toffI L0iL .maxV2toff（式 310）T22LT將（式 3 9）和（式 310）代入（式 38）并整理得：(V1V2toffV2 ) toff2(1)2T 2(V1V2 )V12T2CT（式 311）2LU2LU2LUV2已知 V1=12V， V2 =24V，取U1%U20. 12V，則由（式 311）得：當(dāng)取 L300H時(shí)，C33.33F當(dāng)取 L500H時(shí)，C20F當(dāng)取 L1000H時(shí)，C10F3.4負(fù)載電阻 R 的選擇根據(jù)公式 RV2可得

11、： R24120I 00. 5- 7 -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(cè)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)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?？刂屏鞒虉D如下：圖

12、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k ，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為 V2 k ；而理想的輸出為 V2E ，對(duì)應(yīng)的占空比為E ，則有： V2 k1， V2E1V1V11 k1 E由此可得：V2k 1kE1V2E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(cè)量電路的實(shí)際輸出電壓，利用公式E1V2k 1k計(jì)算得出新的占空比，V2 E從而調(diào)整電路輸出電壓。- 8 -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

13、的狀態(tài)方程di LV1 ， dV2V2dtLdtRC定義函數(shù)如下： functiony=funon(t,x)globalV1RCL;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di LV1 V2 ， dV2 iL R V2dtLdtRC定義函數(shù)如下： functiony=funoff(t,x)globalV1RCL;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di LdV2V2dt0 ，RCdt定義函數(shù)如下： functiony=funoffdiscon(t,x)globalV1RCL;

14、y=0;-x(2)/(R*C);5.2主程序的編寫clear;%清除工作空間globalV1 R C L%定義全局變量L=300e-6;%輸入電感 L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- 9 -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=forj=1:nton=T*a%三極管開通時(shí)間t

15、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)fori=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)求解三極管截止時(shí)的狀態(tài)方程

16、ifx2(end,1)0%此時(shí)電感電流出現(xiàn)斷續(xù)forb=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0ifx2(b,1)i1) | (xx(p,1)v1) | (xx(p,2)v2)biaozhi=0;break;end ;biaozhi = 1;end ;ifbiaozhi =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，對(duì)電路參

17、數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。a) 取 L300 H ， C 33.33 F輸出電壓 V2 的波形如下：-12-電感電流 i L 的波形如下：-13-b)取L500H，C20F輸出電壓 V2 的波形如下：電感電流i L 的波形如下：-14-c)取L1000H ，C10 F輸出電壓 V2 的波形如下：電感電流i L 的波形如下：-15-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

18、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 L300 H，C33.33 F ， R 120-16-b) 取 L500 H，C20 F， R 120c) 取 L1000 H ，C10 F，R 120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。-17-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 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