基于MATLAB的升压－降压式变换器的建模与仿真

基于MATLAB 的升压－降压式变换器的建模与仿
真
一、摘要
本文在对升压-降压（Boost-Buck ）式变换器电路理论分析的基础上,建立了基于Simulink 的升压-降压式变换器的仿真模型,运用IGBT 对升压－降压进行控制，并对工作情况进行仿真分析与研究。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

二、设计意义
直流斩波就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，也称DC/DC 变换。

使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。

升压-降压式变换电路即升降压斩波电路，主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。

三、设计原理
升压-降压式变换器电路图如下图1-1所示。

设电路中电感L 值很大，电容C 值也很大,使电感电流L i 和电容电压0u 基本为恒值。

图1-1 电路原理
设计原理是：当可控开关V 出于通态时，电源经V 向电感L 供电使其贮存能量，此时电流为1i ，方向如图1-1中所示。

同时，电容C 维持输出电压基本恒定并向负载R 供电。

此后，使V 关断，电感L 中贮存的能量向负载释放，电流为2i ，方向如图1-1中所示。

可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。

稳定时，一个周期T 内电感L 两端电压L u 对时间的积分为零，当V 处于通
态期间时，L u =E ；而当V 处于端态期间时，L u =-0u 。

于是，E on t =off t U 0，所以输
出电压为U=off
on t t E=βα
E 其中β=1-α，若改变导通比α，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<0.5时为降压，当0.5<α<1时为升压，如此可以实现升压-降压的变换，该电路称作升降压斩波电路即升降压变换器。

图1-2中给出了电源电流1i 和负载电流2i 的波形，设两者的平均值分别为1I 和2I ， 当电流脉动足够小时，有21I I =off on t t 。

可得如下2I =1I t t on off =1I αβ。

如果V 、VD 为没有
损耗的理想开关时，则E 1I =20I U ，其输出功率和输入功率相等，可将其看作直
流变压器。

图1-2 基本波形
四、详细设计步骤及仿真报告
1、理解升降压变换电路。

当可控开关V处于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为1i，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为2i。

2、熟悉MATLAB仿真工具的各种功能运用。

熟悉了仿真软件之后，结合软件将升压-降压式变换器由电路图转换成为能够在MATLAB环境下仿真的模型。

3、在MATLAB中的Simulink下画出仿真模型。

V为固定电压的直流电源，画出模型如下1-3所示。

与电路图相对照，
dc
全控性器件IGBT为V，L、R为负载，续流二极管Diode是VD。

全控性器件IGBT 的栅极驱动电压为周期方波，采用脉冲调制控制方式，即工作周期T不变，IGBT 开断时间可调。

图1-3 simulink仿真
4、修改参数。

双击IGBT图标，打开Block Parameters：IGBT对话框，参数设置如下图1-4所示；双击脉冲发生模型，改变其参数如图1-5所示。

图1-4 IGBT 参数
仿真算法选择ode23tb 算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0.0s ，停止时间设置为0.0015s ，如下图1-6所示。

图1-6 Solver 设置
5、运行仿真。

单击系统模型编辑器上的Play 图标（黑三角）对系统进行仿真分析。

运
图1-5脉冲发生器参数
行停止后，双击示波器模型（Scope），即可观察到仿真结果。

五、设计结果及分析
结果：
通过仿真运行，可以观察到仿真结果如下。

先进行降压调节，直流电源电压设置为100V。

设置脉冲宽度为30%，即导通比α=0.3，小于0.5，图1-7是仿真结果：
图1-7α=0.3时的仿真波形
进行升压调节，将脉冲发生器的脉冲宽度调节为70%，即α=0.70。

如图1-8为仿真结果。

图1-8α=0.70时的仿真波形
以上是升降压的变换电路的集中波形，形状大概是这样，但是考虑到纹波比较大，不满足要求，尤其是输入负载电压必须使纹波系数小于1%，参数还得重新设置。

当α=0.3时。

参数设置如下Stoptime：1.5，电感电容相应参数如图1-9，图1-10所示。

图1-9 电感参数
图1-10 电容参数
得到输出负载电压波形如图1-11所示：
图1-11 α=0.3时的仿真波形
这样纹波为基本满足要求。

当α=0.70时，参数设置如下Stop time:0.15电感设置如下：Inductance:1e-1(H),其余参数不变，电容参数设置如下，Capacitance:1e-4（F）,其余参数不变。

得到输出负载电压波形如图1-12所示：
图1-12α=0.70时的仿真波形
这样可以得到纹波系数为0.4%，满足要求。

至此，仿真工作全部结束。

分析：
分析仿真结果可得：改变导通比α的大小，当0<α<0.5时为降压，当0.5<α<1时为升压，如此可以实现升压-降压的变换。

仿真中，当α= 0.3时输出电压比电源电压低，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在63V时保持稳定，达到了降压的效果，波形为有少许波纹的直流电压；当α=0.7时输出电压比电源电压高，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在233V时保持稳定，达到了升压的效果，波形为有少许波纹的直流电压。

所以，该电路及仿真模型能够实现升压-降压的变换。