電氣工程計(jì)算機(jī)仿真直流直流變壓器

電氣工程計(jì)算機(jī)仿真直流直流變壓器第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日5.2直流-直流變流器

直流-直流變流器也稱直流斬波器(DCChopper)或DC-DC變流器。直流-直流變流器用于調(diào)整直流電的電壓，它有多種類型，降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、Buck/Boost變換器、Cuk升降壓變換器和橋式(H型)直流變換器等，這里主要介紹降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器的仿真。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日（1）當(dāng)開關(guān)器件V的觸發(fā)脈沖由低電平變高電平時(shí)，V導(dǎo)通，二極管D截止，電流經(jīng)電感L向負(fù)載供電，電感電流增加，電感儲(chǔ)能。EVDLRuoio5.2.1直流降壓變流器設(shè)計(jì)Buck電路工作狀態(tài)分析Buck主電路第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日（2）當(dāng)開關(guān)器件V的觸發(fā)脈沖由高電平變低電平時(shí)，V關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通，電流通過負(fù)載R和二極管D形成回路，電感L釋放能量。EVDLRuoioBuck電路工作狀態(tài)分析Buck主電路第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為式中T為V開關(guān)周期，ton為V導(dǎo)通時(shí)間，α為占空比。V導(dǎo)通，D截止V關(guān)斷，D導(dǎo)通觸發(fā)脈沖負(fù)載電流輸出電壓（D的反向電壓）第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日直流降壓變換器仿真模型電源電壓E=200V，電阻負(fù)載R=5Ω，電感L=0.01H。SimPowerSystems→ElectricalSourcesSimPowerSystems→PowerElectronicsSimPowerSystems→ElementsSimPowerSystems→ExtraLibrary→ControlBlocksSimPowerSystems→ExtraLibrary→MeasurementsSimPowerSystems→MeasurementsSimulink→SinksSimulink→SignalRouting系統(tǒng)自動(dòng)添加該模塊第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日直流電壓源幅值200V測(cè)量選項(xiàng)：不選第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日IGBT導(dǎo)通電阻0.01歐導(dǎo)通電感1e-6H正向壓降0.8V起始電流0緩沖電阻0緩沖電容0.01e-6不顯示測(cè)量端口電流下降時(shí)間1e-6s電流拖尾時(shí)間0.3e-6s第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日二極管導(dǎo)通電阻0.01歐導(dǎo)通電感0H正向壓降0.8V不使用緩沖電路不顯示測(cè)量端口起始電流0A第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日電感電感選L電感值0.01H測(cè)量選項(xiàng)：None不設(shè)置起始電流SeriesRLCBranch第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日電阻電阻選R電阻值5歐測(cè)量選項(xiàng)：None第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日脈沖發(fā)生器脈沖類型選Timebased使用仿真時(shí)間幅值1周期0.002秒，開關(guān)頻率為500Hz脈沖寬度50%相位延時(shí)0秒各矢量參數(shù)為一維第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日傅里葉分析模塊基波頻率500Hz諧波次數(shù)，0為直流傅里葉分析模塊可測(cè)量電壓或電流的直流分量或諧波含量第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)直流降壓變換器仿真結(jié)果第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日輸出電壓瞬時(shí)值和平均值第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日二極管電流第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日IGBT電流

第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日EVDLRuoio帶輸出濾波電容的降壓變換器C濾波電容可平滑輸出電壓，減小輸出電壓諧波含量，當(dāng)C足夠大時(shí)，輸出電壓uR近似認(rèn)為不變，uR

=UR

。已知：直流降壓變換器電源電壓E=200V，輸出電壓UR=140V，電阻負(fù)載R=5Ω，設(shè)計(jì)合適的電感L和電容C，并進(jìn)行仿真。uR第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日帶輸出濾波電容的降壓變換器參數(shù)設(shè)計(jì)電感L的選擇：T為開關(guān)周期，IOM為最小負(fù)載電流，取14A，得L=0.003H，電感最小電流為28-14=14A，電感電流最大值為28+14=42A

。電容C的選擇：△UO為輸出電壓脈動(dòng)量，取1V，得C=0.007F。占空比D：D=UR/E=140/200=0.7負(fù)載平均電流IO，UR/R=140/5=28A。第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日例5-2設(shè)直流降壓變換器電源電壓E=200V，輸出電壓UR=140V，電阻負(fù)載R=5Ω，電感L=0.003H，電容C=0.007F。得到IGBT、二極管的電流波形，得到電感電流、輸出電壓波形。帶輸出濾波電容的降壓變換器仿真實(shí)例E=200VVDL=0.003HR=5歐ioC=0.007FUR=140V第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日仿真設(shè)計(jì)步驟：1）根據(jù)直流降壓變換器原理電路建立變換器的仿真模型，如圖所示。帶輸出濾波電容的降壓變換器仿真第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2）設(shè)置模型參數(shù)。直流電源200V，電感L=0.003H，電容C=0.007F，負(fù)載電阻取5Ω，脈沖發(fā)生器脈沖周期為Ts=2ms，脈沖占空比：取脈沖寬度為70%。帶輸出濾波電容的降壓變換器仿真3）設(shè)置仿真參數(shù)，取仿真時(shí)間為0.01s，仿真算法ode15s。4）得到仿真波形。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日負(fù)載電壓波形第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日電感電流第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日最小電感電流為14A電感電流局部放大圖最大電感電流為42A第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日輸出電壓脈動(dòng)量△UO近似為1V，與計(jì)算相一致。負(fù)載電壓局部放大圖第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日L=0.1mH，C=100μF時(shí)的Buck電路減小T，T=50×10-6s時(shí)，fs=20kHz保證電感電流連續(xù)的最小負(fù)載電流為140/5=28A，當(dāng)IO<420A時(shí)，電路工作于電流斷續(xù)狀態(tài)。斷續(xù)工作狀態(tài)該公式不成立。最小電感電流為28-10.5=16.5A。輸出電壓脈動(dòng)量第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日L=0.1mH，C=100μF時(shí)Buck電路仿真模型第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日L=0.1mH，C=100μF時(shí)Buck電路仿真結(jié)果負(fù)載電壓波形第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日在電路中IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流由電源E經(jīng)升壓電感L和VT形成回路，電感L的電流增加，電感儲(chǔ)能;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓串聯(lián)共同向負(fù)載供電，由于在IGBT關(guān)斷時(shí)電感的反電動(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。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L積蓄的能量與釋放的能量相等輸出電壓為：0iGE0ioI1升壓斬波a）電路圖b）波形

5.2.2直流升壓變換器設(shè)計(jì)第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日例5-3已知直流電源24V，要求將電壓提升到100V，且輸出電壓的脈動(dòng)控制在10%以內(nèi)，負(fù)載的等值電阻為5Ω。設(shè)計(jì)一個(gè)直流升壓變壓器，并選擇斬波頻率、電感和電容參數(shù)。仿真設(shè)計(jì)步驟：1）根據(jù)直流升壓變換器原理電路建立變換器的仿真模型，如圖所示。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2）設(shè)置元器件參數(shù)。取脈沖發(fā)生器脈沖周期為Ts=0.2ms，脈沖占空比：取脈沖寬度為76%，初選L=0.1mH，C=100μF。3）設(shè)置仿真參數(shù)，取仿真時(shí)間為0.01s，仿真算法ode15。4）觀察仿真結(jié)果，看輸出電壓是否滿足要求，如不滿足要求，可提高脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖的周期，調(diào)整電感L、電容C和脈沖寬度等參數(shù)，直到輸出電壓滿足要求，記下相應(yīng)的脈沖周期T、電感L和電容C。5）最后，可得滿足條件的脈沖周期T=0.1ms、電感L=0.1mH和電容C=200μF，脈沖寬度為78%。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日輸出電壓波動(dòng)為10V時(shí)，相應(yīng)的電容值為電容C>156μF時(shí)，輸出電壓波動(dòng)才會(huì)