升压降压式变换器的仿真Word文档格式.docx
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2、熟练运用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立电路的仿真模型,在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行仿真分析,认真做好每个步骤。
以提高设计建模的能力及加强对Matlab/Simulink软件的熟练程度。
3、认真分析总结仿真结果,将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较,对结果进行比较分析,体会Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的使用价值。
设计原理
一、降压斩波电路
降压斩波(BUCK)电路的拓扑结构图如1-1所示。
图中实线部分表示开关器件导通时的回路,虚线部分表示器件关断时的续流回路。
1、t=to时s闭合,电源ui向负载供电,负载电压uo=ui。
2、t=t1时s断开,二极管D续流,负载电流下降。
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,s再次闭合,重复上述过程。
由电感器件的伏秒平衡原理,可以得出在电流连续和断续两种情况下,BUCK斩波电路的输出电压。
电感电流连续时,有
化简可得:
电感电流断续时,有
由此可以看出,电感电流断续情况下的输出电压更高。
二、升压斩波电路
升压斩波(BOOST)电路的拓扑结构如图2-1所示。
在图2-1中,实线部分表示开关器件导通时的回路,虚线部分表示开关器件关断时的回路
1、假设L和C值很大。
2、s闭合时,电源ui向电感L充电,电容C向负载R供电
3、s断开时,电源ui和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量
化简可得:
电感电流断续时,有:
由此可以看出,电感电流断续情况下的输出电压更高
三、升降压斩波电路
升降压斩波电路的拓扑结构如图3-1所示。
实线部分表示开关器件导通时的回路,虚线部分表示开关器件关断时的回路
1、s闭合时,电源ui向L供电使其贮能,C维持输出电压恒定并向负载R供电。
2、s断开时,L的能量向负载释放,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性斩波电路。
由伏秒平衡原理可得电感电流连续和断续的输出电压,且其极性与输入相反。
电感电流连续时,有
化简可得
电感电流断续时,有
由此可以看出,电感电流断续时,BUCK-BOOST斩波电路的输出电压也增大。
设计过程
一、仿真原理图
仿真参照的原理图如下:
图
(1)仿真原理图
上图将开关s替换成IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极性晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;
MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。
IGBT综合了以上两种器性的优点,驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
故使用IGBT可以在很大程度上优化设计,减少误差,利于仿真结果的分析。
二、仿真设计的详细过程
根据升降压斩波电路原理图,建立升压-降压式变换器仿真模型,如图
(2)所示:
图
(2)仿真图
由IGBT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Uo=100V;
(2)IGBT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=50Ω,C=3e-06F;
(5)电感支路L=95e-5H
(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0.002s;
(7)控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为50%、33.3%、75%。
结果
参数设置完毕后,启动仿真,得到如下仿真结果。
其中,Ic为IGBT电流,Id为二级管电流,I1为电感电流,V为负载电压,Mean为负载电压平均值。
1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的50%,仿真结果如图(3)所示
图(3)脉冲为50%时仿真结果
从图上直观的看出,负载上平均电压为100V,波形为有少许波纹的直流电压;
理论计算:
仿真结果与升降压斩波理论分析吻合
2、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的33.3%,仿真结果如图(4)所示
图(4)脉冲为33.3%时仿真结果
负载上平均电压为50V,波形为有少许波纹的直流电压;
仿真结果与升降压斩波理论分析吻合。
3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的75%,仿真结果如图(5)所示
图(5)脉冲为75%时仿真结果
负载上平均电压为300V,波形为有少许波纹的直流电压;
总结
通过仿真结果可以直观的看到,在忽略误差的情况下,仿真结果与升降压斩波电路的理论分析吻合。
通过以上的仿真过程分析,还可以得到下列结论:
直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压,控制电路需要实现的功能是产生PWM信号,通过对占空比的调节起到控制输出电压大小的目的,此外,控制电路还完成一定的保护功能。
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。
直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。
升降压斩波电路(Boost-BuckChopper)能够方便的调节输出电压,由于输出电压为:
;
若改变导通比α,则输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。
当0<
α<
1/2时为降压,当1/2<
1时为升压,轻松实现直流变换中的升压和降压作用,工业生产应用广泛。
利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析,与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对直流斩波电路进行仿真分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。
同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针,只需对电路结构稍作改变即可实现,因此实用性较强。
应用Matlab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况,方便学习与研究。
心得体会
本次设计中我首先查阅了相关书籍、资料,对直流斩波电路有了大致的掌握,接着学习了直流斩波电路的基本类型,包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等,理解了其工作原理,熟悉其原理图及工作时的波形图,掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点,并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算,加深了对直流斩波电路的掌握及应用。
通过使用Matlab的可视化仿真工具Simulink对升降压斩波Boost—Buck电路建立仿真模型,我更加熟悉了仿真库里的原器件,增强了画图能力,使用示波器,可以在运行方针时简明地观察到仿真结果,还可将多个结果放在一起以便对比,使我体会到了Matlab的可视化仿真工具Simulink的功能的齐全及使用的便捷。
同时在仿真建模的基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了详细的仿真分析,将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较,提高了我设计建模的能力、分析总结能力及加强了对Matlab/Simulink软件的熟练程度。
总之,通过这次基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真的设计,我无论在理论分析上还是在建模仿真上都是受益颇多,体会到了Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的应用价值,同时它也是能让我们将理论与实践相结合、将所学知识系统化联系在一起的很好的工具,经过仿真能使所学的概念理解的更清晰、知识掌握的更牢固
因为之前并非本专业的学生,加上时间仓促个人经验知识水平有限,所以很多地方还是一知半解,整个仿真中仍存在很多缺陷和不足。
最后,感谢X老师的耐心指导!
参考文献
[1]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业,2006.2
[2]王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业,2009.6
[3]王辉、程坦.直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究.现代电子技术,2009.5:
174-175
[4]王忠礼、段慧达、高玉峰.MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用.清华大学,2007.1