1、Boost变换器原理由IGBT组成的升压变换器的建模及应用仿真摘要:根据电力电子技术的原理,升压式变换器的输出电压高于输入电源电压,控制开关与负载并联连接,与负载并联的滤波电容必须足够大,以保证输出电压恒定,储能电感也要很大,以保证向负载提供足够的能量。在设计中,采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关管,它既具有输入阻抗高,速度快,热稳定性好,驱动电路简单,又具有通态电压低,耐压高,流通大电流等优点。关键词:升压变换器 IGBT Matlab建模一、设计容1. 设计原理图1 升压变换器电路图图1是升压变换器的电路图,其中为输入直流电源,S为开关管(在本设计中使用IGBT作为开关管),在外部脉冲
2、信号的激励下工作于开关状态。当开关管S导通,输入电流流经电感L和开关管S,开关管两端的电压降为零,电感两端产生电压降,电感电流开始线性增长,电感开始储存能量,此时二级管VD处于关断状态。当开关管S截止,由于电感电流的连续性,电感L的线圈产生的磁场将改变线圈两端的极性,以保持电感电流不变,因此电感电压在这一时段出现负电压,此电压是由线圈的磁能转化而成的,它与电源串联,以高于的电压向电路的后级供电,使电路产生了升压作用。此时,电感向后级释放能量,电感电流不断减小,电感电流通过二极管VD到达输出端后,一部分为输出提供能量,一部分为电容充电。 这是升压变换器的一个工作周期,此后变换器重复上述过程工作至
3、稳态过程。2. 输出电压与输入电压的关系若开关管导通时间,关断时间,开关工作周期。定义占空比为: ,升压比为: 。理论上电感储能与释放能量相等,所以当电感电流连续时,输出电压:3. 参数设置(1)电源电压设置为直流24V;(2)储能电感设置为3.6E-4 H;(3)RC负载设置:R为24;C为5.4E-5 F;(4)脉冲信号发生器设置:Pulse type、Time(t)、Amplitude、Phase delay(secs)均采用默认设置,Period(secs)设置为25e-6,Pulse Width( of Period)设置为20。(5)二极管,IGBT,电压、电流测量量均采用默认值。
4、 4. 仿真目的(1)观察占空比变化对输出电压的影响。更改脉冲发生器中的周期参数,在占空比为20,40,60,80时,观察波形,估计输出电压的值。(2)观察开关频率变化对输出电压纹波的影响。占空比恢复为40,将脉冲发生器输出驱动信号的频率改为原来的一半(20KHz)和二倍(80KHz),观测并估计两种条件下电压纹波的大小。(3)观察滤波参数变化对输出电压纹波的影响。将脉冲发生器输出驱动信号的频率恢复为40KHz,将滤波电容值改为原来的一半和二倍,观测并估计两种条件下电压纹波的大小。(4)观察负载阻值变化对输出电压纹波的影响。将滤波电容值恢复为5.4E-5 F,将负载阻值改为原来的一半和二倍,观
5、测两种条件下电压纹波的变化并估计其大小。结合仿真结果说明开关频率、滤波参数以及负载大小的变化对输出电压纹波的影响,并用输出电压纹波的公式验证仿真结果。二、Matlab的建模及仿真1. 仿真电路仿真模型图如图2所示:图2 升压变换器建模图Simulink 仿真模型图中电压源为24V直流电压;L为升压电感;Diode为电力二极管,单向导通,阻止电流反向流动;C为滤波电容;IGBT为斩波器件,R为负载。其中IL用来测量流经L的电流;ID用来测量二极管电流;用来测量负载电压;IGBT current 为流经IGBT的电流;Scope为示波器;Pulse Generator为PWM脉冲发生器,调节其占空
6、比就可以控制输出电压的大小。2. 仿真波形(1)占空比为20,40,60,80时,输出电压的波形分别如图3、图4、图5、图6所示。(2)占空比为40,开关频率为20KHz和80KHz时,输出电压的波形如图7、图8所示,并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。(3)将脉冲发生器的开关频率设为40KHz,将滤波电容值改为2.7E-5 F和10.8E-5 F,输出电压的波形如图9、图10所示,并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。(4)将滤波电容值恢复为5.4E-5 F,将负载阻值改为12和48,输出电压的波形如图11、图12所示,并观测这两种条件下电压纹波的变化。图3 f=40KHz,D=0.2时图
7、4 f=40KHz,D=0.4时图5 f=40KHz,D=0.6时图6 f=40KHz,D=0.8时图7 f=20KHz,D=0.4时图8 f=80KHz,D=0.4时图9 f=40KHz,D=0.4,C=2.7E-5 F时图10 f=40KHz,D=0.4,C=10.8E-5 F时图11 f=40KHz,D=0.4,C=5.4E-5 F,R=12时图12 f=40KHz,D=0.4,C=5.4E-5 F,R=48时通过观察、对比以上仿真波形图可得以下结论:(1)由图3、图4、图5、图6可知,随着占空比的不断增大,输出电压的值也随之不断增大,该现象可由式子得到。(2)由图7、图8可知,其他参数
8、不变,当开关频率减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当开关频率增大为原来的二倍时,输出电压的波动变小。(3)由图9、图10可知,其他参数不变,当滤波电容值减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当滤波电容值增大为原来的2倍时,输出电压的波动变小。(4)由图11、图12可知,其他参数不变,当负载阻值减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当负载阻值增大为原来的2倍时,输出电压的波动变小。 以上结论(2)、(3)、(4)的现象可由式子推出,由该式可看出,输出电压的纹波与滤波电容、开关频率、负载阻值成反比,于是,当C、F、R的值增大时,输出电压的纹波都变小。三、总结 通过本次设计,对于具有自关断能力的GTO、MOSFET、IGBT全控型器件组成的变换器有了一定的了解和认识,熟悉了Matlab的建模过程。使用Matlab仿真摆脱了常规的分析方法,更加快捷和方便,能够直观的反映出电路的情况,对电路的研究更实用和方便。在分析电路时可以修改电路中器件的参数来修改电路,也可以随意地改变电路的结构,而在实际应用中需要重新更换器件和结构,浪费时间和金钱,使用Matlab仿真省去了繁琐的工作,在电路分析比较中的优越性更明显。
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