升压-降压式变换器的仿真

..目录摘要............................................................................................ - 1 -设计目的..................................................................................... - 1 -设计原理.................................................................................... - 2 -一、降压斩波电路 .............................................................. - 2 -二、升压斩波电路 .............................................................. - 3 -三、升降压斩波电路........................................................... - 4 -设计过程.................................................................................... - 5 -一、仿真原理图 .................................................................. - 5 -二、仿真设计的详细过程.................................................... - 6 -结果........................................................................................... - 6 -总结........................................................................................... - 9 -心得体会................................................................................... - 10 -参考文献................................................................................... - 11 -摘要直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器。

本文先分析了降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路的工作原理，又用Matlab对升压-降压变换器进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。

应用Matlab的可视化仿真工具Simulink 建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了较详细的仿真分析。

设计目的本次设计的预期目的如下：1、理解直流斩波电路中的降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握着两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上会对直流斩波电路进行分析计算，加深对直流斩波电路的掌握及应用。

2、熟练运用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行仿真分析，认真做好每个步骤。

以提高设计建模的能力及加强对Matlab/Simulink软件的熟练程度。

3、认真分析总结仿真结果，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较，对结果进行比较分析，体会Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的使用价值。

设计原理一、降压斩波电路降压斩波（BUCK）电路的拓扑结构图如1-1 所示。

图中实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示器件关断时的续流回路。

1、t=to时s闭合，电源ui向负载供电，负载电压uo=ui。

2、t=t1时s断开，二极管D续流，负载电流下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

3、t=t2时刻，s再次闭合，重复上述过程。

由电感器件的伏秒平衡原理，可以得出在电流连续和断续两种情况下，BUCK 斩波电路的输出电压。

电感电流连续时，有化简可得：电感电流断续时，有化简可得：由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高。

二、升压斩波电路升压斩波（BOOST）电路的拓扑结构如图2-1 所示。

在图2-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回路1、假设L和C值很大。

2、s闭合时，电源ui向电感L充电，电容C向负载R供电3、s断开时，电源ui和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量由电感器件的伏秒平衡原理，可以得出在电流连续和断续两种情况下，BUCK 斩波电路的输出电压。

电感电流连续时，有化简可得：电感电流断续时，有：化简可得：由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高三、升降压斩波电路升降压斩波电路的拓扑结构如图3-1 所示。

实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回路1、s闭合时，电源ui向L供电使其贮能，C维持输出电压恒定并向负载R供电。

2、s断开时，L的能量向负载释放，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

由伏秒平衡原理可得电感电流连续和断续的输出电压，且其极性与输入相反。

电感电流连续时，有化简可得电感电流断续时，有化简可得由此可以看出，电感电流断续时，BUCK-BOOST 斩波电路的输出电压也增大。

设计过程一、仿真原理图仿真参照的原理图如下：图（1）仿真原理图上图将开关s替换成IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极性晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器性的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

故使用IGBT可以在很大程度上优化设计，减少误差，利于仿真结果的分析。

二、仿真设计的详细过程根据升降压斩波电路原理图，建立升压-降压式变换器仿真模型，如图（2）所示：图（2）仿真图由IGBT构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参数设置：（1）电压源参数取Uo=100V；（2）IGBT按默认参数设置，（3）二极管按默认参数设置；（4）负载参数取R＝50 Ω，C＝3e－06 F；（5）电感支路L＝95e-5H（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002 s；（7）控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为50％、33.3%、75%。

结果参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果。

其中，Ic为IGBT 电流，Id为二级管电流，I1为电感电流，V为负载电压，Mean为负载电压平均值。

1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的50%，仿真结果如图（3）所示图（3）脉冲为50%时仿真结果从图上直观的看出，负载上平均电压为100 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合2、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的33.3%，仿真结果如图（4）所示图（4）脉冲为33.3%时仿真结果负载上平均电压为50V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合。

3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的75%，仿真结果如图（5）所示图（5）脉冲为75%时仿真结果负载上平均电压为300 V，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：仿真结果与升降压斩波理论分析吻合总结通过仿真结果可以直观的看到，在忽略误差的情况下，仿真结果与升降压斩波电路的理论分析吻合。

通过以上的仿真过程分析，还可以得到下列结论：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，控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，通过对占空比的调节起到控制输出电压大小的目的，此外，控制电路还完成一定的保护功能。

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。

升降压斩波电路（Boost- Buck Chopper ）能够方便的调节输出电压，由于输出电压为： E E t T t E t t U on on off on αα-=-==10 ；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<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，轻松实现直流变换中的升压和降压作用，工业生产应用广泛。

利用Simulink 对降压斩波电路和升降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。

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。

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。

心得体会本次设计中我首先查阅了相关书籍、资料，对直流斩波电路有了大致的掌握，接着学习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。

通过使用Matlab 的可视化仿真工具Simulink 对升降压斩波Boost —Buck 电路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真库里的原器件，增强了画图能力，使用示波器，可以在运行方针时简明地观察到仿真结果，还可将多个结果放在一起以便对比，使我体会到了Matlab 的可视化仿真工具Simulink 的功能的齐全及使用的便捷。