DCDC变换器的计算机仿真报告.docx
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DCDC变换器的计算机仿真报告
《电力电子电路的计算机仿真》
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摘要
DC-DC变换电路，是一种将直流电变换为另一种具有不同输出特性的直流电的电力电子装置。
基于电力电子交流技术，利用电力电子器件及相关电路，可构成升压变压器（BoostChopper）、降压变压器（BackChopper）和丘克变换器（CukChopper），完成对电路电压和电流的交换，也可实现对频率与相数的交换。
本文在对升压、降压变换器电路理论分析的基础上，选用MOSFET型开关器件对升压、降压进行控制，并基于Simulink仿真系统对所设计的升压变换器和降压变换器进行仿真，最终完成了设计所要求的升压、降压功能的各项参数。
关键字：
DC-DC变换电路升压变压器降压变压器
第一章绪论1
1.1设计目的1
1.2设计意义1
1.3设计要求1
第二章仿真软件及开关器件简介2
2.1MATLAB简介2
2.2Simulink简介4
2.3MOSFET开关器件简介5
第三章DC-DC变换器的设计原理6
3.1降压斩波电路（BuckChopper）工作原理6
3.2升压斩波电路（BoostChopper）工作原理7
第四章计算机仿真9
4.1降压变换器设计9
4.2升压变换器设计15
第五章总结24
心得体会25
参考资料26
第一章绪论
1.1设计目的：
1、理解升压、降压变换电路电路图，并对电路中的元器件的作用有深刻的认识。
2、在对升压、降压变换电路理论分析的基础上，建立基于Simulink的升压、降变换电路的仿真模型
3、选用MOSFET型开关器件对升压、降压进行控制，并对不同工作情况进行仿真分析与研究。
4、在实际操作中，验证所设计仿真模型的正确性。
1.2设计意义：
直流斩波就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，也称DC/DC变换。
使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。
升压、降压变换电路即升压与降压斩波电路，主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。
1.3设计要求：
1、设计一降压变换器，输入电压为200V，输出电压可调，负载电阻为20欧姆，开关器件选用MOSFET。
2、设计一升压变换器，输入电压为3-6V，负载电阻为10欧姆，开关器件，开关频率40kHz,要求电流连续。
3、完成上述DC-DC变换电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压、电流波形、系统输入电压、电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。
第二章仿真软件及开关器件简介
2.1MATLAB简介
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，1999年春MATLAB5.3版问世，使MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。
特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而即使学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。
（1）友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
（2）简单易用的程序语言
MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。
在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
（4）出色的图形处理功能
MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
（5）应用广泛的模块集合工具箱
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。
一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。
（6）实用的程序接口和发布平台
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。
允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。
另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。
MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。
工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
（7）应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。
2.2Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.3MOSFET开关器件简介
MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectionTransistor）金属氧化物场效应晶体管。
FET与BJT的最大区别在于他们的电荷载体不同，BJT的载荷是空穴或是被击出的分子（共价键断裂导致），而FET载荷则是自由电子，其数目多了几个数量级。
MOSFET同三极管应用上的差别在于：
1.MOSFET管是压控器件，而三极管是电流控制器件
2.MOSFET的三种状态夹断区，恒流区，可变电阻区，一般我们运用夹断区和恒流区来作为开关控制，而三极管有三种工作状态，截止态，放大态和饱和态，三极管在截止态和饱和态切换是可以做开关的。
MOS管处于哪种状态由Ugs决定而三极管处于哪种状态由Ib决定。
3.场效应管是利用改变电场来控制半导体材料的导电特性，不是像三极管那样用电流控制PN结的电流。
因此，场效应管可以工作在极高的频率和较大的功率。
由衬底的材料不同，MOS管分为NMOS和PMOS。
增强型NMOS导通条件：
Ug-Us>UtUt为开启电压
耗尽型NMOS导通条件：
Ug-Us>-UpUp为夹断电压
第三章DC-DC变换器的设计原理
3.1降压斩波电路（BuckChopper）工作原理
降压斩波电路图如下图所示。
图3-1降压电路原理图
设电路中电感L值很大，使电感电流i0基本为恒值。
设计原理：
（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
（3）t=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述过程。
图3-2降压电路电流连续时的波形图
数量关系：
负载电压平均值：
ton——V在一个周期内的导通时间
toff——V在一个周期内的关断时间
T——斩波周期，T＝ton＋t0ff
ᾳ——导通占空比
负载电流平均值：
3.2升压斩波电路（BoostChopper）工作原理
（1）假设L和C值很大。
（2）V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。
（3）V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
图3-3升压电路原理图
图3-4升压电路电流连续时的波形图
数量关系：
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
化简得：
T/off>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
第四章计算机仿真
4.1降压变换器仿真
设计要求：
设计一降压变换器，输入电压为200V，输出电压可调，负载电阻为20欧姆，开关器件选用MOSFET。
根据上述要求完成主电路设计。
熟悉MATLAB仿真工具的各种功能运用：
熟悉了仿真软件之后，结合软件将降压变换电路图转换成为能够在MATLAB环境下仿真的模型。
在MATLAB中的Simulink下画出仿真模型：
画出模型如下图所示。
图4-1降压变换器仿真电路
降压变换器电路，假定开关器件Mosfet是理想元件，输入电压Ud是理想恒压源。
当Mosfet导通时，Ud通过电感L向负载传递能量。
此时，iL增加，电感储能增加；当Mosfet关断时，由于电感电流不能突变，故iL通过二极管VD续流，电感上的能量逐步消耗在负载上,iL降低，电感上储能减小。
由于VD的单向导电性，iL不可能为负，即总有iL≥0，从而可在负载上获得单极性的输出电压。
二极管VD导通期间，其导通压降可以近似为0。
电路参数设计：
由Mosfet构成直流降压斩波电路（BuckChop-per）的建模和参数设置：
（1）电压源参数取U=200V。
（2）Mosfet按默认参数设置。
（3）二极管按默认参数设置。
（4）负载参数取R=20Ω。
（5）电感参数L=1000H。
（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为300s；
（7）控制脉冲周期设置为0.2s,控制脉冲占空比分别设为20％、40%、60%、80%。
控制脉冲参数设置：
Mosfet参数设置：
图4-2脉冲发生器参数图4-3MOSFET参数
仿真算法选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0.0s，停止时间设置为0.0015s，如下图所示。
图4-4
二极管参数设置：
图4-5
运行仿真：
参数设置完毕后，单击系统模型编辑器上的Play图标（黑三角）对系统进行仿真分析。
运行停止后，双击示波器模型（Scope），即可观察到仿真结果。
（1）占空比20%时的输出电压：
图4-6
（2）占空比40%时的输出电压：
图4-7
（3）占空比60%时的输出电压：
图4-8
（4）占空比80%时的输出电压：
图4-9
根据负载电压计算公式：
可知，在占空比分别为20％、40%、60%、80%是对应的电压输出应该为：
40v,80v,120v,160v,符合理论计算结果。
占空比40%时的输出电流：
图4-10
电流连续时的输出电流：
图4-11
在MOSFET导通期间，L上的电流增加，电感储能增加；在MOSFET关断期间，由于电感电流不能突变，故iL即负载电流通过二极管VD续流，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，L上的储能减小。
电流连续时的二级管电流：
图4-12
电流连续时的输入电流：
图4-13
结果分析：
输入电流，在MOSFET导通期间，电源U通过电感L向负载传递能量，电感电流逐渐上升，直到MOSFET关断为止。
二极管电流，在MOSFET关断期间，由于电感电流不能突变故iL通过二极管续流，电感上的能量逐步消耗在负载上，故电流逐渐减小。
降压变换器可以将输入的电压进行降压变换然后输出，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进行调节。
根据电感及负载电流的大小，可是电路工作在电流连续状态，也可工作在断续状态。
由
可知通过改变占空比ᾳ即可控制输出平均电压UO因为ᾳ在0—1之间取值，所以输出电压UO的平均值总是小于或者等于输入电压。
在占空比分别为20％、40%、60%、80%是对应的电压输出应该为：
40v，80v，120v，160v符合理论计算结果。
4.2升压变换器设计
设计要求：
设计一升压变换器，输入电压为3-6V，负载电阻为10欧姆，开关器件选用MOSFET，开关频率40kHz,要求电流连续，根据上述要求完成主电路设计。
根据升压变换器的设计原理，建立升压变换器的仿真模型：
图4-14升压变换电路
电路参数设计：
由MOSFET构成升压斩波电路（BoostChopper）工作原理的建模和参数设置：
（1）电压源参数取U=6V。
（2）Mosfet按默认参数设置。
（3）二极管按默认参数设置。
（4）负载参数取R=10Ω。
（5）电感参数L=1H。
（6）电容参数C=0.01F。
（7）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.2s；
（8）控制脉冲周期设置为0.02s,控制脉冲占空比设为60%。
参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果：
控制脉冲参数设置：
图4-15
升压变换器的输出电压：
图4-16
电流连续时二极管电流：
图4-17
电流连续时输入电流：
图4-18
电流连续时的Mosfet流过的电流：
图4-19
L=0.1H
图4-20
L=1H
图4-21
L=10H
图4-22
仿真结果分析：
在保持其他参数，只改变电感值的情况下，如果电感太大，会使电感在Mosfet导通期间储存的能量与关断期间所释放的能量相等的关系不能快速的建立起来，所以电感太大，需要更长的时间才能是输出稳定；但如果电感太小，在上电瞬间，会使电感上储存的能量过大，不能及时释放，使得输出过高，出现超调。
当输入电压为6V，负载电阻为10欧姆，开关器件选用MOSFET，开关频率40kHz时，由上图可知电流连续，并使得输出电压升为15V，实现了设计要求。
第五章总结
本文在对升压，降压变换电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的升压，降压变换电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。
在对升压，降压变换器电路电压或升或降时的工作情况进行仿真分析的基础上，验证了当脉冲发生器导通比α处在不同的数值时，将影响输出电压。
在降压变换电路中，随着α的减小，输出电压也随之减小，并实现降压。
通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
通过仿真和分析，可知升压，降压变换器电路的输出电压受导通比α的影响，文中应用MATLAB的可视化仿真工具simulink对升压，降压变换器电路的仿真结果进行了分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。
采用MATLAB／Simulink对升压，降压变换器电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。
应用MATLAB／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。
应用MATLAB对变换器电路仿真研究时，可以通过判断设置出不同导通比时产生的波形现象，为分析合适的输出电压提供了较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。
电力电子变流技术是利用电力电子器件及其相关电路进行电能变换的科学技术，电压、电流的变换包含其中。
3而电力电子器件又是电力电子变流技术的核心，也是自动化和电气工程专业的基础知识，具有重要的作用。
而在电压、电流的变换电路中，包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。
MATLAB提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。
本文利用Simulink对升压，降压变换电路进行建模，在不同导通比的情况下进行了仿真分析，既进一步加深了升压，降压变换电路的理论，同时也为现代电力电子的更好的掌握奠定良好的实验基础。
心得体会
通过这次课程设计，我了解到了电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际运用Matlab仿真软件建立电力电子功能电路模型实现功能的仿真，对常用的功率电力二极管、晶闸管、全控型器件可关断晶闸管、绝缘栅极双极型晶体管等电力电子器件在MATLAB中的实现以及电力电子中几种常用到的变换器与仿真实现过程有了实际的体验。
经过这次设计，我更加深刻的了解到直流斩波电路的功能及其在现实中的运用。
直流斩波也称作直流-直流变换器（DC/DCConverter），一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，而不包括直流-交流-直流的情况，纠正了以前的错误认识。
而直流变换器主要分为降压、升压、升降压、Cuk、Sepic和zeta电路，其中降压和升压是最基本的电路，可以帮助理解其他的电路。
让我又一次认识到掌握了最基础的知识才是最根本的，复杂的知识都是在一个个基础知识的堆积，抓住了基础，再难的问题都可以拆解开来简化处理，都能够很快的掌握。
参考文献
1.《现代电力电子技术》王兴贵陈伟张巍中国电力出版社2010.8
2.《MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用》王忠礼段慧达高玉峰2007.1
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