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1、Boost变换器设计及计算机仿真x电力电子系统综合训练任务书（第6组）2014年秋季学期学 生 姓 名学 号专 业 方 向班 级题 目 名 称Boost变换器的设计及计算机仿真一、综合训练计内容及技术要求1 MATLAB部分 （1）熟悉Matlab使用环境。 （2）初步掌握Matlab的基本应用，包括数据结构、数值运算、程序设计以及绘图等。 （3）熟悉Simulink系统仿真环境，包括Simulink工作环境、基本操作、仿真模型、仿真模型的子系统、重要模块库等。 （4）初步掌握Simpowersystems模型库及其应用。 （5）能够使用Simpowersystems模型库进行电力电子电路的仿

2、真分析。2设计部分 设计一个升压变换器，输入电压为3-6V，输出电压15V，负载电阻为10欧姆，要求电流连续。根据上述要求完成主电路设计。3仿真部分 完成上述升压变换器的计算机仿真，观察输出电压电流波形、系统输入电流波形、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。 4. 选作：使用PSIM仿真软件完成上述仿真二、综合训练总结报告须提交的成果：（1）综合训练总结报告（不少于20页，约1万字左右）需包括：1)前言。2)目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计详细过程及图纸。5)仿真模型的建立、各模块参数的设置。6)仿真结果分析。7)总结。8)参考文

3、献。9)体会。（2）综合训练总结报告要求采用A4页面打印，小四宋体，单倍行距，采用word默认的页边距，仿真模型、模块参数设置、仿真结果等都要在总结报告中进行详细说明。三、参考资料：1王兆安等。电力电子技术（M）。北京：机械工业出版社，2001。2李传琦。电力电子技术计算机仿真实验（M）。北京：机械工业出版社，2006。3MATLAB入门以及应用类手册（图书馆去借）。 4复印的资料。 指导教师签字：郭群摘要BOOST 电路又称为升压斩波电路，它在各类电力电子电路中的应用十分广泛，它将低压直流电变为高压直流电，为负载提供了稳定的直流电压。升压斩波电路的PI和PID调节器的性能对输出的电压影响很大

4、。由于这种斩波电路工作于开关模式下，是一个强非线形系统。采用matlab仿真分析方法, 可直观、详细的描述BOOST 电路由启动到达稳态的工作过程, 并对其中各种现象进行细致深入的分析, 便于我们真正掌握BOOST 电路的工作特性。【关键词】：Boost电路； 直流电压； matlab仿真；1概论1.1电力电子器件1.1.1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

5、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-IGBT）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

6、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及关断，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及截止一样。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

7、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，但分别及数值较大的通态电流及断态电压相互作用，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IGBT型开关器件对升压降压进行控制，电力IGBT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IGBT的热稳定性优于GTR。1.1.2 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

8、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、750W1W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6W25WDC/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251W750W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

9、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2030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/cm31.22W/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

10、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IGBT或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz100kHz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48

11、V/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。1.2 MATLAB软件概述1.2.1 MATLAB介绍Matlab(Matrix Laboratory)是美国 MathWorks公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理

12、想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛

13、的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。MATLAB的主要组成部分MATLAB系统由5个主要的部分构成：(1) 开发环境(Development Environment)：微MATLAB用户或程序编制员提供的一套应用工具和设施。由一组图形化用户接口工具和组件集成：包括MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器。(2) MATLAB数学函数库(Math Function Library)：数学和分析功能在MATLAB工具箱中被

14、组织成8个文件夹。 elmat 初步矩阵，和矩阵操作。elfun 初步的数学函数，求和、正弦、余弦和复数运算等； specfun特殊的数学函数，矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等； matfun矩阵函数用数字表示的线性代数；atafun数据分析和傅立叶变换；polyfun 插值，多项式；funfun功能函数；sparfun 稀疏矩阵；(3) MATLAB语言：(MATLAB Language)一种高级编程语言（高阶的矩阵/数组语言），包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；(4) 句柄图形：(Handle Graphics) MATLAB制图系统具有2维、三维的数据可视化，图

15、象处理，动画片制作和表示图形功能。可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制。允许你建造完整的图形用户界面（GUI），以及建立完整的图形界面的应用程序。制图法功能在MATLAB工具箱中被组织成5个文件夹：二维数图表（graph2d）、三维图表（graph3d）专业化图表（specgraph）、制图法（graphics）、图形用户界面工具（uitools）。(5) 应用程序接口：(Applied Function Interface)MATLAB的应用程序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序及MATLAB连接。MATLAB的系统开发环境(System Developing Enviro

16、nment)1操作桌面(Operating Desktop)（1）桌面布局：6个窗口命令窗口（Commend Window）、工作空间窗口（Workspace）、当前目录浏览器（Current Directory ）、命令历史窗口（ Commend History ）、启动平台 （Launch Pad）、帮助窗口（Help）、M文件优化器（Profiler）。（2）菜单和工具栏；(Menu and toolbar) 操作桌面上有6个菜单和带有9个快捷按钮的工具栏组。（3）改变桌面设置：(Setting) File 菜单中Preference对话框中设置。2命令窗口：(Command windo

17、w)MATLAB的主要交互窗口。用于输入MATLAB 命令、函数、数组、表达式等信息，并显示图形以外的所有计算结果。还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符串，然后用键调出该命令行。3工作空间窗口：(Workspace Window)用于储存各种变量和结果的空间，显示变量的名称、大小、字节数及数据类型，对变量进行观察、编辑、保存和删除。临时变量不占空间。为了对变量的内容进行观察、编辑及修改，可以用三种方法打开内存数组编辑器。双击变量名；选择该窗口工具栏上的打开图标；鼠标指向变量名，点击鼠标右键，弹出选择菜单，然后选项操作。欲查看工作空间的情况，可以在命令窗口键入命令whos（显示存在

18、工作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息）或命令who（只显示变量名）。4当前目录浏览器：(Current Directory)用于显示及设置当前工作目录，同时显示当前工作目录下的文件名、文件类型及目录的修改时间等信息。只有在当前目录或搜索路径下的文件及函数可以被运行或调用。设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输入栏中直接输入，或点击浏览器下拉按钮进行选择。还可用cd命令在命令窗口设置当前目录，如：cd c:mydir 可将c盘上的mydir目录设为当前工作目录。5命令历史窗口：(Command History)记录已运行过的MATLAB命令历史，包括已运行过的命令、函数、表达式等信息，可

19、进行命令历史的查找、检查等工作，也可以在该窗口中进行命令复制及重运行。6启动平台：(Launch Pad)帮助用户方便地打开和调用MATLAB 的各种程序、函数和帮助文件。平台列出了系统中安装的所有的MATLAB产品的目录，可以通过双击来启动相应的选项。7MATLAB 的搜索路径：(Searching Path)MATLAB定义的一系列文件路径的组合，缺省状态下包括当前路径和已安装的全部工具箱的路径。搜索目录的设置通过选择主菜单Set Path菜单项进行。用Add Folder按钮可以将某一目录加入搜索路径，选择Add with Subfolder按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。8

20、内存数组编辑器：(Array Editor)提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能，对其他数据类型都不能编辑。通过工作空间窗口打开所选的变量时，该编辑器启动。1.2.2SIMULINK仿真基础SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它及MATLAB语言的主要区别在于，其及用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。1所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通

21、过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真及分析。2Simulink可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。模型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步的分析。Simulink可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。SIMULIN

22、K启动在MATLAB命令窗口中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。SIMULINK的模块库介绍整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数及表格模块组

23、(Function&Tables )、信号及系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相及模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。电力系统模块库的介绍进入MATLAB系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的Power System Blocks即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors)，电源库(Electrical Sources)，基本元件库(Elements)，元件库(Extra Library)，电机元件库(Machines)，测量元件库(M

24、easurements)和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。（1）电路元件模型 该部分包括断路器（Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联RLC负荷(Parallel RLC Load)，II型线路参数(II Section Line)、饱和变压器(Saturable Transformer)、串联RLC支路（Series RLC Branch)、串联RLC

25、负荷(Series RLC load)、过电压自动装置（Surge Arrester)。这部分可以仿真交流输电线装置。 （2）电力电子设备模型此部分含有二极管（Diode)、GT0、理想开关(Ideal Switch)、MOS管(IGBT)、可控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。（3）电机设备模型此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、

26、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous Machine)。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备，电力拖动设备等。 （4）接线设备模型 这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输电线母线等。（5）测量设备模型该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一部分还起着连接SIMULINK模型及POWERLIB模型的作用。 （6）Powerlib扩展库扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根

27、据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。1.2.3 MATLAB的GUI程序设计GUI(Graphical User Interfaces):由各种图形对象组成的用户界面，在这种用户界面下，用户的命令和对程序的控制是通过“选择”各种图形对象来实现的。基本图形对象分为控件对象和用户界面菜单对象，简称控件和菜单。控件对象及属性1GUI控件对象类型(The mode of controller object)控件对象是事件响应的图形界面对象。当某一事件发生时，应用程序会做出响应并执行某些预定的功能子程序（Callback）。2控件对象的描述(De

28、scription of controller object)MATLAB中的控件大致可分为两种，一种为动作控件，鼠标点击这些控件时会产生相应的响应。一种为静态控件，是一种不产生响应的控件，如文本框等。每种控件都有一些可以设置的参数，用于表现控件的外形、功能及效果，既属性。属性由两部分组成：属性名和属性值，它们必须是成对出现的。（1）按钮(Push Buttons)：执行某种预定的功能或操作。（2）开关按钮(Toggle Button)：产生一个动作并指示一个二进制状态（开或关），当鼠点击它时按钮将下陷，并执行callback（回调函数）中指定的内容，再次点击，按钮复原，并再次执行callba

29、ck 中的内容。 （3）单选框(Radio Button)：单个的单选框用来在两种状态之间切换，多个单选框组成一个单选框组时，用户只能在一组状态中选择单一的状态，或称为单选项。（4）复选框(Check Boxes)：单个的复选框用来在两种状态之间切换，多个复选框组成一个复选框组时，可使用户在一组状态中作组合式的选择，或称为多选项。（5）文本编辑器(Editable Texts)：用来使用键盘输入字符串的值，可以对编辑框中的内容进行编辑、删除和替换等操作。 （6）静态文本框(Static Texts)：仅仅用于显示单行的说明文字。（7）滚动条(Slider)： 可输入指定范围的数量值。（8）边框

30、(Frames)：在图形窗口圈出一块区域。（9）列表框(List Boxes)：在其中定义一系列可供选择的字符串。（10）弹出式菜单(Popup Menus)： 让用户从一列菜单项中选择一项作为参数输入。（11）坐标轴(Axes)： 用于显示图形和图象。3控件对象的属性(Attributes of controller object)用户可以在创建控件对象时，设定其属性值，未指定时将使用系统缺省值。两大类控件对象属性：第一类是所有控件对象都具有的公共属性，第二类是控件对象作为图形对象所具有的属性。GUI开发环境(GUI Development Environment, GUIDE)MATLAB

31、提供了一套可视化的创建图形窗口的工具，使用用户界面开发环境可方便的创建GUI应用程序, 它可以根据用户设计的GUI布局，自动生成M文件的框架，用户使用这一框架编制自己的应用程序。MATLAB提供了一套可视化的创建图形用户接口（GUI）的工具，包括：1布局编辑器(LayoutEditor)-在图形窗口中加入及安排对象。布局编辑器是可以启动用户界面的控制面板，上述工具都必须从布局编辑器中访问，用guide命令可以启动，或在启动平台窗口中选择GUIDE来启动布局编辑器。2几何排列工具(Alignment Tool)-调整各对象相互之间的几何关系和位置。3属性编辑器(Property Inspecto

32、r)-查询并设置属性值。4对象浏览器Object Browser)-用于获得当前MATLAB图形用户界面程序中所有的全部对象信息，对象的类型，同时显示控件的名称和标识，在控件上双击鼠标可以打开该控件的属性编辑器。5菜单编辑器(Menu Editor)-建立窗口菜单条的菜单和任何构成布局的弹出菜单。在MATLAB中， GUI的设计是以M文件的编程形式实现的，GUI的布局代码存储在M文件和MAT文件中，而在MATLAB6中有了很大的改变，MATLAB6将GUI的布局代码存储在FIG文件中，同时还产生一个M文件用于存储调用函数，在M文件中不再包含GUI的布局代码，在开发应用程序时代码量大大减少。GUI程序设计(GUI Program de