基于MATLAB/Simulink的直流斬波電路分析

虞夢月

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，廣泛應用于開關電源及直流電動機驅動中。文章分析了直流斬波電路的設計原理，并基于MATLAB/Simulink軟件，搭建了升、降壓直流斬波電路的模型，通過仿真得到了直觀的升、降壓關系，加深了對直流斬波電路的認識，為后續斬波電路的學習打下基礎。

關鍵詞：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，也稱為直流變換技術。廣泛地應用于開關電源及直流電動機驅動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛無級變速，以及20世紀80年代興起的電動汽車控制等。通過設計不同的直流變換電路，可以提供可調的直流電源，進而滿足不同設備的性能需求。

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，分析其設計原理，推導理論公式，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，由可控開關VT、儲能電感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：當可控開關VT處于通態時，電源E經開關VT向電感L提供能量，二極管VD承受反壓而截止，負載R所消耗的能量由電容c提供，此時負載電壓等于電容電壓。當可控開關VT處于斷態時，二極管VD導通，電源E和電感L疊加共同向電容C充電，并給負載R提供能量。

假設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，電路數量關系推算如下：設VT通態時間為t_on，此階段L上儲存的能量為EI₁t_on，設VT斷態時間為t_off，此階段電感釋放能量為（U₀-E）I₁t_off。在穩態工作時，電感電壓在一個周期（T=t_on+t_off）中積蓄能量與釋放能量相等，即：

化簡得：

（1-1）

1.2MATLAB/Simulink建模與仿真

為進一步分析升壓式直流斬波電路的實際工作情況，利用MATLAB/Simulink軟件搭建其仿真模型。可控開關VT由全控型器件IGBT組成，利用示波器進行各支路電流、電壓表的波形監測，如圖2所示。

在參數設置時，直流電壓源E為24V，IGBT的通斷由振幅為5，脈沖周期為0.2ms的脈沖來觸發，脈沖寬度設置為80，即一個周期的80%開關VT導通，20%開關VT關斷。根據理論公式（1-1）計算輸出電壓平均值：

對于仿真過程中電壓波動幅值較大，應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輸入電壓進行降壓變換，其主電路如圖4所示，由可控開關VT、濾波電容C、儲能元件L和續流管VD組成。

降壓斬波電路的基本工作原理是：當可控開關VT處于通態時，VD承受反壓而截止，電源經開關VT給電感L儲存能量，并向負載供電，負載電壓U₀=E-U_L。當可控開關VT處于斷態時，電感L產生感應電動勢，二極管VD導通續流，負載電壓U₀=-U_L。

（2-1）

當t_on0低于電源電壓E，實現降壓目的。

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。參數設置時，由于重點觀測降壓過程，將直流電壓源E設置為200V，IGBT的通斷振幅及脈沖周期不變，脈沖寬度設置為50，即一個周期的50%開關VT導通，50%開關VT關斷。根據理論公式（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，負載供電電流波形如圖6（b）所示。負載上的電壓u₀從零開始迅速上升，最后穩定在100V左右，與理論值一致，實現了降壓目的。其電壓波動幅值較大，將電感從原來的L=0.1H擴大10倍至L=IH，所得到輸出電壓的波動變得平緩，最終穩定在100V，如圖7所示。

3結論

本文分析了直流斬波電路中升、降壓變換電路的設計原理，推導了其理論公式，并基于MATLAB/Simulink軟件，搭建了升、降壓直流斬波電路的模型，通過仿真，波形輸出的結果與理論計算值一致，通過增加電感量及電容量或提升電路效率來抑制輸出電壓波動，對直流斬波電路有了更為直觀的理解。