直流升压变换器的MATLAB仿真设计

学号

天津城建大学

控制系统仿真

大作业

直流升压变换器的MATLAB仿真

学生姓名

班级

成绩

控制与机械工程学院

2014年 6 月 20 日

目录

一、绪论 (1)

二、仿真电路原理图及原理 (1)

三、所使用的Matlab工具箱与模块库 (2)

四、模块参数设定 (2)

五、模块封装与仿真框图搭建 (2)

六、仿真结果 (6)

七、结论 (6)

八、参考文献 (7)

一、绪论

在电力电子技术中，将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换，成为直流-直流变换。直流变换的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其它领域的交直流电源。

根据电力电子技术原理，升压式（Boost ）斩波器的输出电压0u 高于输入电源电压s u ，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。

若升压式斩波器的开关导通时间on t ，关断时间off t ，开关工作周期off on t t T +=。定义占空比或导通比/T t D on =，定义升压比S o /U U =α

。根据电力电子技术的原理，理论上电感储能与释放能量相等，有s s off o u 1u t T β==U ，升压比的倒数T

t 1

off ==αβ。还有，1D =+β。由此可见，当s u 一定时，改变β就可以调节0u 。当const T =时，调β就是调off t ，或调on t 也是调β，也就改变了0u ，这就是升压式斩波器的升压工作原理。

二、仿真电路原理图及原理

原理图如图1所示：假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为1 I ，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压0u 为恒值，记为0u 。设V 通的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on 1t EI 。

图1

V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。设V 断的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为()off 10t I E -u ，稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量能量相等。化简得

()off 10on 1t I E -u t EI =，E t T E t t t off off off on o =+=U ，1T/t off ≥，输出电压高于电源电

压，故称为升压斩波电路。也称为boost chooper 变换器。

off T/t 为升压比，调节其即可改变0u 。将升压比的倒数记为β，即T

t off

=β，和导通占空比，有如下关系：1D =+β，因此E D

-11E 1

o ==βU 。升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因是：L 储能之后具有使电压升高的作用与电容C 可将输出电压保持住。

三、所使用的Matlab 工具箱与模块库

本次设计利用Simulink 仿真，所使用的Matlab 工具箱与模块库主要有：直流电源Dc 、场效应管MOSFET 、脉冲发生器（Pulse Generator ）、电流测量（current Measurement ）、电感（series RLC Branch ）、阻抗负载（Parallel RLC Branch ）、二极管Diode 、电压测量（Voltage Measurement ）、示波器scope 以及powergui 模块等。

四、模块参数设定

（1）直流电压源100v s u =，MOSFET 与Diode 、电压测量、电流测量等均采用默认设置。

（2）电感设置为1e-4，阻抗负载设置为：R=5;C=1e-4。

（3）脉冲发生器的参数设置至关重要：

“Pulse type ”脉冲类型，设置为Time based （时间基准）；

“Time （t ）”时间，设置为Use simulation time （用仿真时间）；

“Amplitude ”脉冲幅值，设置为1.1；

“Period （secs ）”周期（s ），设置为0.2e-3，对应着MOSFET 的开关频率为5kHz ； “Pulse Width （% of Period ）”脉冲宽度（周期的百分数），根据MOSFET 的开关特性，设置为50；

“Phase delay （secs ）”相位延迟（s ），设置为0.001e-3。

五、模块封装与仿真框图搭建

利用Simulink 软件对升压式直流斩波电路（Boost ）进行仿真，如图2所示：

图2

（1）仿真参数，算法（solver）ode23tb，相对误差（relative tolerance）为1e-3，开始时间为0，结束时间为0.003，如图3所示：

图3

（2）电源参数，电压为100v，如图4所示：

图4

（3）电感参数，如图5所示：

图5

图6 （5）二极管参数设置，如图7所示：

图7

图8 （7）脉冲发生器参数设置，如图9所示：

图9

六、仿真结果

触发脉冲占空比为50%时的波形，如图10所示：

图10

设g u 为门极正脉冲（脉冲发生器Pulse 发出）、d u 为升压便留输出电压（分压器o u 发出）、M i 为MOSFET 导通的电感储能电流（分流器A1发出）、D i 为电感反电势与s u 串联叠加流经二极管向负载供电的电流（分流器A2发出）、i 为流经电感电流（分流器A 发出），显然，D M i i i +=。仿真波形如上图9所示，自上而下依次为g u 、d u 、i 、M i 、D i 。由图可见，g u 波形对应脉冲发生器的脉冲宽度（周期的百分数），设置为50；升压变流输出电压瞬时波形d u 振荡走高后逐步趋近并等于200v （直流）；i 为流经电感电流（分流器A 发出）由两个分量组成，从波形图看到，D M i i i +=。

七、结论

（1）直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，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。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。

（2）直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink 对升压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

（3）采用Matlab/Simulink 对直流斩波电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。

（4）应用Matlab/Simulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况，方便学习与研究。