基于MATLAB/Simulink的直流斬波電路分析

虞夢(mèng)月

摘要：直流斬波電路是將固定直流電壓變換成可變直流電壓的電路，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中。文章分析了直流斬波電路的設(shè)計(jì)原理，并基于MATLAB/Simulink軟件，搭建了升、降壓直流斬波電路的模型，通過(guò)仿真得到了直觀的升、降壓關(guān)系，加深了對(duì)直流斬波電路的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)斬波電路的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：直流斬波電路；升壓式斬波電路；降壓式斬波電路；MATLAB/Simulink

直流斬波電路是將固定直流電壓變換成可變直流電壓的電路，也稱(chēng)為直流變換技術(shù)。廣泛地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車(chē)輛無(wú)級(jí)變速，以及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車(chē)控制等。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的直流變換電路，可以提供可調(diào)的直流電源，進(jìn)而滿足不同設(shè)備的性能需求。

直流斬波電路按變換電路的功能分為：升壓式變換（Boost Converter）、降壓式變換（Buck Converter）、升降壓式變換（Boost-Buck Converter）、Cuk變換（CukConverter）、Sepic變換（Sepic Converter）和Zeta變換（ZetaConverter）。

本文以升壓式變換電路與降壓式變換電路為例，分析其設(shè)計(jì)原理，推導(dǎo)理論公式，并基于MATLAB/Simulink軟件，搭建了直流斬波升、降壓電路的模型。

1升壓式直流斬波電路分析

1.1工作原理介紹

升壓式直流斬波電路顧名思義即輸出電壓總是高于輸入電壓，其主電路如圖1所示，由可控開(kāi)關(guān)VT、儲(chǔ)能電感L、升壓二極管VD和濾波電容C組成。

升壓式斬波電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開(kāi)關(guān)VT處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)開(kāi)關(guān)VT向電感L提供能量，二極管VD承受反壓而截止，負(fù)載R所消耗的能量由電容c提供，此時(shí)負(fù)載電壓等于電容電壓。當(dāng)可控開(kāi)關(guān)VT處于斷態(tài)時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，電源E和電感L疊加共同向電容C充電，并給負(fù)載R提供能量。

假設(shè)電路輸出端濾波電容C足夠大，以保證輸出電壓恒定，電感L的值也很大，電路數(shù)量關(guān)系推算如下：設(shè)VT通態(tài)時(shí)間為t_on，此階段L上儲(chǔ)存的能量為EI₁t_on，設(shè)VT斷態(tài)時(shí)間為t_off，此階段電感釋放能量為（U₀-E）I₁t_off。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電感電壓在一個(gè)周期（T=t_on+t_off）中積蓄能量與釋放能量相等，即：

化簡(jiǎn)得：

（1-1）

1.2MATLAB/Simulink建模與仿真

為進(jìn)一步分析升壓式直流斬波電路的實(shí)際工作情況，利用MATLAB/Simulink軟件搭建其仿真模型?？煽亻_(kāi)關(guān)VT由全控型器件IGBT組成，利用示波器進(jìn)行各支路電流、電壓表的波形監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

在參數(shù)設(shè)置時(shí)，直流電壓源E為24V，IGBT的通斷由振幅為5，脈沖周期為0.2ms的脈沖來(lái)觸發(fā)，脈沖寬度設(shè)置為80，即一個(gè)周期的80%開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通，20%開(kāi)關(guān)VT關(guān)斷。根據(jù)理論公式（1-1）計(jì)算輸出電壓平均值：

對(duì)于仿真過(guò)程中電壓波動(dòng)幅值較大，應(yīng)增加濾波電容或者提高變換效率。

2降壓式直流斬波電路分析

2.1工作原理介紹

降壓式直流斬波電路即對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓變換，其主電路如圖4所示，由可控開(kāi)關(guān)VT、濾波電容C、儲(chǔ)能元件L和續(xù)流管VD組成。

降壓斬波電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開(kāi)關(guān)VT處于通態(tài)時(shí)，VD承受反壓而截止，電源經(jīng)開(kāi)關(guān)VT給電感L儲(chǔ)存能量，并向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U₀=E-U_L。當(dāng)可控開(kāi)關(guān)VT處于斷態(tài)時(shí)，電感L產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二極管VD導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載電壓U₀=-U_L。

（2-1）

當(dāng)t_on0低于電源電壓E，實(shí)現(xiàn)降壓目的。

2.2 MATLAB/Simulink建模與仿真

同1.2，利用MATLAB/Simulink建模搭建其仿真模型，如圖5所示。參數(shù)設(shè)置時(shí)，由于重點(diǎn)觀測(cè)降壓過(guò)程，將直流電壓源E設(shè)置為200V，IGBT的通斷振幅及脈沖周期不變，脈沖寬度設(shè)置為50，即一個(gè)周期的50%開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通，50%開(kāi)關(guān)VT關(guān)斷。根據(jù)理論公式（2-1）輸出電壓平均值：

仿真所得的輸出電壓u₀波形如圖6（a）所示，負(fù)載供電電流波形如圖6（b）所示。負(fù)載上的電壓u₀從零開(kāi)始迅速上升，最后穩(wěn)定在100V左右，與理論值一致，實(shí)現(xiàn)了降壓目的。其電壓波動(dòng)幅值較大，將電感從原來(lái)的L=0.1H擴(kuò)大10倍至L=IH，所得到輸出電壓的波動(dòng)變得平緩，最終穩(wěn)定在100V，如圖7所示。

3結(jié)論

本文分析了直流斬波電路中升、降壓變換電路的設(shè)計(jì)原理，推導(dǎo)了其理論公式，并基于MATLAB/Simulink軟件，搭建了升、降壓直流斬波電路的模型，通過(guò)仿真，波形輸出的結(jié)果與理論計(jì)算值一致，通過(guò)增加電感量及電容量或提升電路效率來(lái)抑制輸出電壓波動(dòng)，對(duì)直流斬波電路有了更為直觀的理解。