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电力电子仿真
《电力电子电路的计算机仿真》
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摘要
直流---直流变流电路（DC--DCConverter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括，直接直流变流电路和间接直流变流电路，直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电流变换成另一种固定的电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一种直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出之间的隔离，因此也成为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
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。
关键词：
降压斩波电路、升压斩波电路、Cuk变换器
第一章绪论1
1.1电力电子器件概述1
1.2直流-直流变换器（DC/DC）的应用2
1.3本设计选题的目的要求及意义3
第二章DC-DC变换器的设计原理4
2.1降压斩波电路（BuckChopper）工作原理4
2.2升压斩波电路（BoostChopper）工作原理5
第三章计算机仿真8
3.1降压斩波电路仿真8
3.2升压斩波电路仿真14
3.3Cuk斩波电路仿真17
第四章总结20
心得体会21
第一章绪论
1.1电力电子器件概述
1957年可控硅（晶闸管）的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。
20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名词，进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。
随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。
80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
电力电子器件专指电力半导体器件，在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路的中电力电子器件的导通与关断，来完成整个系统的功能。
电力电子器件因为处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近于短路，管压降接近于0，而电流由外电路决定，阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为0，而管子两端的电压由外电路参数决定，就想普通晶体管的饱和与截止一样。
尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身功率损耗通常远大于信息电子器件，因而，为了保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般还需要安装散热器。
这是因为电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不是理想的短路或者断路。
导通时器件上有一定的通态压降，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过。
尽管其数值都很小，但分别与数值较大的通态电流与断态电压相互作用，就形成了电力电子器件的通态损耗和断态损耗。
本文主要利用mosfet型开关器件对升压降压进行控制，电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点就是驱动简单，需要的驱动功率小，第二个显著特点就是开关速度快，工作评频率高，另外，电力MOSFET的热稳定性优于GTR。
1.2直流-直流变换器（DC/DC）的应用
直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。
按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。
进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。
由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。
用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。
直流斩波器不仅能起到调压的作用（开关电源）,同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。
随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。
目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。
高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。
在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。
一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。
目前，在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源（也称为开关型整流器SMR）通过MOSFET或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内,实现高效率和小型化。
近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压（一般为48V直流）变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。
一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。
因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。
1.3本设计选题的目的要求及意义
（一）、选题目的
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。
（二）、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，输出电压15V，负载电阻为10欧姆，开关器件MOSFET，要求电流连续。
3、设计一Cuk变压器，输入20V，输出范围5——8V。
（三）、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。
第二章DC-DC变换器的设计原理
2.1降压斩波电路（BuckChopper）工作原理
降压斩波电路图如下图所示。
图2-1降压斩波电路原理图
该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，也可使用其他器件，本设计使用是是绝缘栅型电力场效应管MOSFET。
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2-2降压斩波电路波形图
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：
2.2升压斩波电路（BoostChopper）工作原理
升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，而是用于单向功率因数校正电路，三是用于其他交流电源中。
当升压斩波电路用于直流电动机传动时，通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源。
升压斩波电路原理及波形图如下：
图2-3升压斩波电路原理图
图2-4升压斩波电路波形图
（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。
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。
2.3Cuk斩波电路
Cuk斩波电路也称Cuk变换器。
美国加州理工学院SlobodanCuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。
Cuk变换器可看做是Boost变换器和Buck变换器串联而成，合并了开关管
开关管Q为PWM控制方式。
Cuk变换器有CCM和DCM两种工作方式，但不是指电感电流，而是指流过二极管的电流连续或断续。
在一个开关周期中开关管Q的截止时间（1-Dy）Ts内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在t=Ts时刚降为零，则为临界连续工作方式。
Cuk变换器中有两个电感，这两个电感之间可以没有耦合，也可以有耦合，耦合电感可进一步减少电流脉动量
Cuk斩波电路的原理图和等效图如下
图2.5Cuk斩波电路及其行将电路
a）电路图b）等效电路
当通态时回路和回路有电流。
当处于断态时，回路和回路有电流。
输出电压的极性与电源电压极性相反。
电路相当于开关在A、B两点之间交替切换。
在该电路中，稳态时电容的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即
处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。
处于断态的时间
则电容电流和时间的乘积为。
由此可得：
从而可以得出：
可以得出输出电压与电源电压的关系为：
与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入输出进行滤波。
第三章计算机仿真
3.1降压斩波电
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