直流斬波電路的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真研究

王　輝　程　坦

摘 要：電力電子技術(shù)是工科院校電氣信息類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，電路和波形圖多且復(fù)雜，通常仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用不多。應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立了Buck電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)Buck電路及Boost-Buck電路進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。結(jié)果表明，仿真波形與常規(guī)分析方法得到的結(jié)果具有一致性，證實(shí)了Matlab軟件在電力電子技術(shù)教學(xué)和研究中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Matlab/Simulink；直流斬波電路；電力系統(tǒng)工具箱；建模

中圖分類號(hào)：TM13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-174-02

Simulation Research of DC Chopper Circuit Based on Matlab/Simulink

WANG Hui,CHENG Tan

(Pingdingshan Institute of Technology,Pingdingshan,467044,China)

Abstract：The course of power electronics is the required specialized course for the students major in electrical information.The course has high theory and practice.It includs much complex circuits and wave forms.The simulation technology is seldom used in the field of power electronics.The simulation model of buck chopper circuit is constructed based on Matlab/Simulink.The buck chopper circuit and Boost-Buck chopper circuit are fully simulated and analyzed based on this model.The results show that the voltage wave forms both based on simulation and based on conventional circuit analysis are identical.It proves that the software has a good application value in the researching and teaching of the power electronic.

Keywords：Matlab/Simulink;DC chopper circuit;power system toolbox;modeling

0 引 言

在電力電子技術(shù)中，將直流電的一種電壓值通過電力電子變換裝置變換為另一種固定或可調(diào)電壓值的變換，稱為直流-直流變換。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。

這里主要討論了PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方式的降壓電路(Buck Chopper)，并應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink，對(duì)該電路及升降壓電路(Boost-Buck Chopper)進(jìn)行了建模，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，既避免了繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，又嘗試得到了一種直觀、快捷分析直流變換電路的新方法。

1 直流斬波電路工作原理

直流降壓斬波電路原理圖如圖1(a)所示。圖中用理想開關(guān)S代表實(shí)際的電力電子開關(guān)器件；R為純阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)S在t璷n時(shí)間接通時(shí)，加到負(fù)載電阻上的電壓U璷等于直流電源U璬。當(dāng)開關(guān)S在t璷ff時(shí)間斷開時(shí)，輸出電壓為零，直流變換波形如圖1(b)所示。

輸出電壓平均值為:

U璷=t璷nT璼U璬=DU璬(1)

式中：t璷n為斬波開關(guān)S在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；t璷ff為斬波開關(guān)S在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間；T璼為斬波周期，T璼=t璷n+t璷ff；D為占空比，D=t璷n/T璼。

由此可見，改變導(dǎo)通占空比D，就能夠控制斬波電路輸出電壓U璷的大小。由于D是在0~1之間變化的系數(shù)，因此輸出電壓U璷總小于輸入電壓U璬，即為降壓輸出。

圖1 降壓型斬波器電路及波形

2 直流斬波電路的建模與仿真

2.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

(1) 由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(Buck Chopper)的建模和參數(shù)設(shè)置

圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，并取消緩沖電路，即R＜sub＞S＜/sub＞=5 Ω,C璖=0；電壓源參數(shù)取U璖=200 V,E=80 V；負(fù)載參數(shù)取R=10 Ω,L=5 mH。

圖2 由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型

(2) 直流降壓斬波電路的仿真

打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，相對(duì)誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.01 s，控制脈沖周期設(shè)置為0.001 s(頻率為1 000 Hz)，控制脈沖占空比為50%。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，得到圖3的仿真結(jié)果。

圖3 由IGBT組成的Buck直流變換器仿真結(jié)果

由圖3可以看出，負(fù)載上電壓分別為100 V，160 V，80 V，滿足U璷=t璷nT璼U璬=DU璬。

2.2 直流升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)的仿真

升降壓斬波電路輸出電壓平均值為：

U璷=-t璷nt璷ffU璬=-D1-DU璬(2)

式中：負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。當(dāng)D=0.5時(shí)，U璷=U璬；當(dāng)D＞0.5時(shí)，U璷＞U璬，為升壓變換；當(dāng)D＜0.5時(shí)，U璷＜U璬，為降壓變換。

圖4給出了由IGBT元件組成的升降壓斬波電路仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置并取消緩沖電路，負(fù)載R=50 Ω，C=3e-05 F，電感支路L=5 mH。啟動(dòng)仿真，得到圖5的仿真結(jié)果。

圖4 由IGBT組成的Boost-Buck直流變換器仿真模型

圖5 由IGBT組成的Boost-Buck直流變換器負(fù)載電壓波形

從圖5可以看出，負(fù)載上電壓分別為100 V，33 V，300 V，滿足U璷=-D1-DU璬，與升降壓斬波理論分析吻合。

3 結(jié) 語

通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論:

(1) 直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對(duì)降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

(2) 采用Matlab/Simulink對(duì)直流斬波電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到了一種較為直觀、快捷分析斬波電路的新方法。同時(shí)其建模方法也適用于其他斬波電路的仿真，只需對(duì)電路結(jié)構(gòu)稍作改變即可實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)用性較強(qiáng)。

(3) 應(yīng)用Matlab/Simulink 進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況，適合電力電子技術(shù)的教學(xué)和研究工作。

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作者簡介

王 輝 男，1969年出生，河南鄧州人，工學(xué)碩士，平頂山工學(xué)院教師，副教授。主要從事電力電子技術(shù)應(yīng)用、電力傳動(dòng)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析研究工作。