直流升降压变流器设计与仿真.docx

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直流升降压变流器设计与仿真

目录

一、摘要。

二、设计目的和意义。

三、设计原理:

升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）工作原理。

四、详细设计步骤。

五、设计结果及分析。

六、实验总结。

MATLAB的升压－降压式变换器的仿真

一、摘要　

直流斩波电路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，不仅可以实现调压功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因素的目的。

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。

直流斩波包括降压斩波电路、升压斩波电路和升降压斩波电路。

而利用升压——降压变换器，既可以实现升压，也可以实现降压。

关键词：

matlab、升压、降压、斩波。

二、设计目的和意义

通过对升压-降压（Boost-Buck）式变换器电路理论的分析，建立基于Simulink的升压-降压式变换器的仿真模型，运用绝缘栅双极晶体管（IGBT）对升压－降压进行控制，并对工作情况进行仿真分析与研究。

通过仿真分析验证所建模型的正确性。

三、设计原理

升压-降压式变换器电路图如图1所示。

图1升压-降压式变换器电路

设电路中电感L值很大，电容C值也很大，使电感电流

和负载电压

基本为恒值。

设计开关V出于通态原理是：

当可控时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为

，方向如图1中所示。

同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为

，方向如图1中所示。

可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。

稳定时，一个周期T内电感L两端电压

对时间的积分为零

则：

（1）

当V处于通态期间时，

；而当V处于端态期间时，

。

于是，

，所以输出电压为:

（2）

其中β=1-α，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<0.5时为降压，当0.5<α<1时为升压，如此可以实现升压-降压的变换，该电路称作升降压斩波电路即升降压变换器。

图2中给出了电源电流

和负载电流

的波形，设两者的平均值分别为

和

，

当电流脉动足够小时，有

（3）

可得如下

图2升降压电路电源电流及负载电流波形

（4）

如果V、VD为没有损耗的理想开关时，

则:

，（5）

其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。

四、详细设计步骤

1、理解升降压变换电路。

当可控开关V处于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为

，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为

。

2、熟悉MATLAB仿真工具的各种功能运用。

熟悉了仿真软件之后，结合软件将升压-降压式变换器由电路图转换成为能够在MATLAB环境下仿真的模型。

3、PWM控制电路及驱动电路模块  控制电路以专用的PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波，其占空比为Uco控制。

在芯片的1脚和9脚之间接入一个反馈网络构成一个PI调节器（比例微分调节器，）在稳态是电压调节器的输入端误差应为零，即  U=UR-UF=0，UR=UF。

    如果调节可变电阻Rp使Uco增大，由上式应有U>0,PI调节器立即对此误差电压进行比例积分运算。

于是输出电压Ue在原来数值上增大，从而使输出占空比增大，使升压斩波电路输出电压增大，反馈电压Uf也随着增大，直至与UR相等，PI调节器的输出电压才停止增长。

图3PWM控制的触发电路电路

4、在MATLAB中的Simulink下画出仿真模型。

图4升压-降压式变化器仿真电路模型图

5、修改参数。

图5IGBT参数的设置如图

图6Diode参数设置如图所示

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0.003s，如图7所示。

图7仿真算法设置

直流电源

为200V,电感L为0.1mH，电容

为100μF，电阻

为5Ω

6、运行仿真。

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。

五、设计结果及分析

通过仿真运行，可以观察到仿真结果如下。

图8为Scope6显示二极管的电流波形，图2-2为Scope3显示IGBT的电流波形，图2-3为Scope4显示的电感电流波形，图2-4为Scope1显示负载电压Uo波形。

先进行降压调节，直流电源电压设置为200V。

设置脉冲宽度为30%，即导通比α=0.3，小于0.5，仿真结果如下：

图8二极管电流波形

图9IGBT的电流波形

图10电感的电流波形

图11

图12负载电压U0波形

←IGBT电流波形

←二极管电流波形

←电感电流波形

←电感电压波形

←电阻电压波形

图13

进行升压调节，将脉冲发生器的脉冲宽度调节为65%，即α=0.65。

图14IGBT的电流波形

图15二极管的电流波形

图16电感电流波形

图17

图18

图19

分析：

分析仿真结果可得：

改变导通比α的大小，当0<α<0.5时为降压，当0.5<α<1时为升压，如此可以实现升压-降压的变换。

仿真中，当α=0.3时输出电压比电源电压低，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在60V时保持稳定，达到了降压的效果，波形为有少许波纹的直流电压；当α=0.65时输出电压比电源电压高，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在200V时保持稳定，达到了升压的效果，波形为有少许波纹的直流电压。

所以，该电路及仿真模型能够实现升压-降压的变换。

六、总结

通过仿真和分析，可知升压-降压式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-降压式变换器电路的仿真结果进行了详细分析，当当0<α<0.5时为降压，当0.5<α<1时为升压，通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

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-降压式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。

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-降压式变换电路进行建模，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-降压式变换电路的理论，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。

参考文献

[1]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（第一版）

2007.1

[2]王兆安黄俊电力电子技术（第四版）2009.1