基于MatlabSimulink的BOOST電路仿真

1、基于Matlab/Simulink的BOOST電路仿真姓 名：weitor學(xué) 號(hào)：0000000204班 級(jí)：07自動(dòng)化2班 時(shí)間：2010年12月5日1引言BOOST 電路又稱為升壓型電路, 是一種直流- 直流變換電路, 其電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此電路在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位, 長期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中。對(duì)它工作過程的理解掌握關(guān)系到對(duì)整個(gè)開關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過程的理解, 然而現(xiàn)有的書本上僅僅給出電路在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過程的分析, 而沒有提及電路從啟動(dòng)到穩(wěn)定之間暫態(tài)的工作過程, 不利于讀者理解電路的整個(gè)工作過程和升壓原理。采用matlab仿真分析方法, 可直觀、

2、詳細(xì)的描述BOOST 電路由啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程, 并對(duì)其中各種現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致深入的分析, 便于我們真正掌握BOOST 電路的工作特性。2電路組成線路由開關(guān)S、電感L、電容C組成，如圖1所示，完成把電壓Vs升壓到Vo的功能。圖1BOOST 電路的結(jié)構(gòu)3電路的工作狀態(tài)BOOST 電路的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。其中電流連續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2 (a) 和圖2 (b) 所示, 電流斷續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2 (a)、(b)、(c) 所示, 兩種工作模式的前兩個(gè)工作狀態(tài)相同, 電流斷續(xù)型模式比電流連續(xù)型模式多出一個(gè)電感電流為零的工作狀態(tài)。（1）充電過程在充電過程中

3、，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），等效電路如圖2 (a)，開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。（2）放電過程如圖2 (b)，這是當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時(shí)的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。 (a) 開關(guān)狀態(tài)1 (S 閉合) (b

4、) 開關(guān)狀態(tài)2 (S 關(guān)斷)(c) 開關(guān)狀態(tài)3 (電感電流為零)圖2BOOST 電路的工作狀態(tài)3matlab仿真分析matlab 是一種功能強(qiáng)大的仿真軟件, 它可以進(jìn)行各種各樣的模擬電路和數(shù)字電路仿真，并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出, 無論對(duì)哪種器件和哪種電路進(jìn)行仿真, 均可以得到精確的仿真結(jié)果。本文應(yīng)用基于matlab軟件對(duì)BOOST 電路仿真, 仿真圖如圖3 所示, 其中IGBT作為開關(guān), 以脈沖發(fā)生器脈沖周期T=0.2ms,脈沖寬度為50%的通斷來仿真圖2 中開關(guān)S的通斷過程。圖3BOOST 電路的Simulink 模型3.1電路工作原理在電路中IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路

5、，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為: （3-1） 式（3-1）中T為開關(guān)周期, 為導(dǎo)通時(shí)間， 為關(guān)斷時(shí)間。3.2在模型中設(shè)置仿真參數(shù)：（1）設(shè)置電源電壓為200V，電阻的阻值為5。（2）脈沖發(fā)生器脈沖周期T=0.2ms,脈沖寬度為50%。（3）IGBT和二極管的參數(shù)可以保持默認(rèn)值。（4）初選L的值為3mH，C的值為100µF。3.3啟動(dòng)仿真3. 31電路瞬態(tài)過程分析設(shè)置仿

6、真時(shí)間為0.01s，算法采用ode15s。仿真波形如圖4.1所示,分別對(duì)應(yīng)的輸出電壓的波形Uo、二極管電流的波形Id、開關(guān)管電壓的波形Us、開關(guān)管電流的波形Is圖4.1電路相應(yīng)信號(hào)仿真波形仿真時(shí)間改為為0.03s時(shí)各波形如下：圖4.2電路相應(yīng)信號(hào)仿真波形現(xiàn)分析其工作過程如下:00.1ms 時(shí)段: 開關(guān)處于斷開狀態(tài), 直流電源通過電感、二極管向負(fù)載供電, 電路處于穩(wěn)態(tài)。0.1ms 0.2ms 時(shí)段: 開關(guān)于0.1ms 0.2ms 之間閉合, 并保持閉合狀態(tài)直到0.2ms, 電路處于圖2. a) 狀態(tài)。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變, 電路進(jìn)入暫態(tài)。由于開關(guān)閉合,開關(guān)電壓降為0, 電感兩端產(chǎn)生壓降, 電

7、感電流開始增長, 電感開始儲(chǔ)存能量; 此時(shí)二極管D 處于斷態(tài), 輸出端由電容C 向負(fù)載RL 提供能量, 因此可以明顯的觀察到, 電容上的輸出電壓在下降, 這意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時(shí)儲(chǔ)存的能量。0.2ms 0.3ms 時(shí)段: 開關(guān)于0.2ms 0.3ms 之間斷開, 并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)直到0.3ms, 電路處于圖2. b) 狀態(tài)。電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變, 電路仍處在暫態(tài)中。 電感與電源V串聯(lián), 以高于電源的電壓向電路的后級(jí)供電, 使電路產(chǎn)生了升壓作用。此時(shí), 電感向后級(jí)電路釋放能量, 電感電流不斷減小, 電感電流通過二極管到達(dá)輸出端后, 一部分給輸出提供能量, 一部分給電容充電, 可以觀察到,電

8、容上的電壓在上升, 電容開始儲(chǔ)存能量。電路在0.1ms0.3ms 時(shí)段之間的工作過程是BOOST 電路的第一個(gè)工作周期, 此后電路重復(fù)上述過程繼續(xù)工作。圖.2電路相應(yīng)信號(hào)放大仿真波形3. 32電路穩(wěn)定過程的分析觀察圖.1易見, 電路輸出電壓, 電感電流在5ms 左右趨于穩(wěn)定, 電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。3. 33電路穩(wěn)態(tài)分析對(duì)4.5m s 5m s 時(shí)段進(jìn)行掃描分析, 對(duì)應(yīng)的輸出波形如圖.2所示, 電路的工作過程與圖3.1.1.1 類似, 只是此刻電感、電容均已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài), 每個(gè)工作周期電感提供相同大小的電壓, 電感電流下降的斜率一定, 電感吸收的能量等于釋放的能量, 電容充電能量等于放電能量, 電

9、感、電容不再吸收能量而成為能量傳遞的工具。通過改變電感的值可更清楚的觀察電感電流的波形，如圖所示3.4結(jié)論 以上的仿真過程分析，可以得到以下結(jié)論：直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與關(guān)斷，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對(duì)升壓斬波電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，與采用常規(guī)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(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。4 總 結(jié)現(xiàn)在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉(zhuǎn)換成其他的信號(hào)等等。我們的日常生活已經(jīng)離不開電了。在如今高能耗社會(huì)，合理的利用電能，提高電能品質(zhì)和用電效率成為了全球研究的當(dāng)務(wù)之急。而電力電子技術(shù)正是與這一主題相關(guān)聯(lián)的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開關(guān)電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。在做課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，通過不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解，并且在matlab中仿真實(shí)現(xiàn)了。在做課程設(shè)計(jì)