斩波电路的MATLAB仿真研究

课程设计计算说明书课程名称：电力电子技术课程设计设计题目：斩波电路的MATLAB仿真研究专业班级：————————————学生姓名：————————————指导老师：电力电子课程设计指导小组2014年6月20日说明1.课程设计结束之前，每个学生都必须认真撰写《课程设计计算说明书》。

课程设计计算说明书要求内容完整，条理清晰，书面清洁，字迹工整。

2 .说明书一般包括设计任务分析、设计方案的确定、具体设计过程的描述、结论等几方面，或按照课程设计指导书及指导教师的具体要求进行撰写。

3．课程设计图纸要求布局美观，图面整洁，图表清楚，尺寸标识准确，线型及标注符合国家或行业相关标准。

4．学生应独立完成各自设计计算说明书的写作，即使同组学生在设计过程中经过讨论得到的共同设计结果也应独立表述。

5．课程设计说明书按照封面、成绩评定表、目录、正文的次序装订成册。

6．课程设计应按设计期间的工作态度和课程设计任务的完成情况，设计说明书的水平、相关知识能力的掌握情况等项目分别评定成绩。

7．各项目内容及所占比例由课程设计指导教师自行确定，并以百分制形式填入“学生成绩评定表”。

总成绩采用五级分制。

8．本页采用“设计说明书”专用纸打印。

9．课程设计结束后将计算说明书交学院教学办公室保存。

学生成绩评定表目录一、设计的目的及要求二、设计任务三、仿真研究的内容1、降压斩波电路2、升压斩波电路3、升降压斩波电路四、斩波电路的建模与仿真1、直流降压斩波电路2、直流升压斩波电路3、直流升降压斩波电路五、总结六、参考文献一、设计的目的及要求本课程设计是电气工程及其自动化专业重要的实践教学环节之一。

本课程设计的任务是利用所学《电力电子技术》专业知识，以MATLAB/SIMULINK仿真软件为基础，完成对所学电力电子器件、整流电路、斩波电路、交流调压电路以及逆变电路的建模与仿真。

其目的是培养学生综合运用所学知识，分析、解决工程实际问题的能力；巩固学生所学知识的同时，提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。

要求学生在规定时间内通过分析任务书、查阅收集资料，充分发挥主动性与创造性，在老师的指导下联系实际、掌握正确的方法，理清思路，独立完成课程设计，撰写设计说明书，其格式和字数应符合规定。

根据要求能够熟练搭建仿真模型，并能进行调试及对电路输出波形的分析；课程设计说明书要求整洁、完备、内容正确、概念清楚、文字通畅，符合规范。

二、设计任务1、降压斩波电路的仿真研究。

2、升压斩波电路的仿真研究。

3、升降压斩波电路的仿真研究。

三、仿真研究的内容与步骤1、降压斩波电路降压斩波电路原理：降压斩波电路的原理图以及工作波形如图1.1所示。

该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。

也可以采用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。

图1.1中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中E m 所示。

如图1.2中V 的栅极电压u GE 波形所示，在t=0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压u o =E ，负载电流i o 按指数上升。

当t=t 1时刻，控制V 关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压u o 近似为零负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L 值较大。

至一个周期T 结束，在驱动V 导通，重复上一周期的过程。

当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图所示：图1.2负载侧输出电压平均值为 ：EE TtE t t t U α==+=on off on on o式中，为V 处于通态的时间；t off 为V 处于断态的时间；T 为开关周期； α为导通占空比。

由式1.1可知，输出到负载的电压平均值U o 最大为E ，减小占空比α，U o 随之减小。

因此将该电路称为降压斩波电路。

也称buck 变换器。

负载电流平均值为:I o =（U o -E m ）/R根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式： 1） 保持开关周期T 不变，调节开关导通时间t on 不变，称为PWM 调制。

2） 保持开关导通时间t on 不变，改变开关周期T ，称为频率调制或调频型。

3） t on 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

2.升压斩波电路（Boost Chopper ）升压斩波电路的元路途如图所示，该电路中也是使用一个全控型器件。

首先假设电路中电感L 值很大，电容C 值也很大。

当可控开关V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C 上的电压向负载R 供电。

因C 值很大，基本保持输出电压u o 为恒值，记为U o 。

设V 处于通态的时间t on ，此阶段电感L 上积蓄的能量为EIt on 。

当V 处于断态时E 和L 共同向电容C 充电并向负载R 提供能量。

设V 处于断态的时间为t off ，则在此期间电感L 释放的能量为（Uo-E ）I 1t off ，当电路工作于稳态时，一个周期T 中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等，即：ont式中，T/t off≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

升压比的倒数记做β，即: β=T/t offβ和α的关系：α+β=1所以输出电压为升压斩波电路之所以能是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压包保持住。

3.升降压斩波电路（Buck-boost Chopper）升降压斩波电路的原理图如图所示升降压斩波电路设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

使电感电流i L和电容电压即负载电压u o基本为恒值。

该电路的基本工作原理是：V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i L，同时，C维持输出稳态时电压恒定并向负载R供电，这时u L=E.V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。

负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时u L=-u o稳态时，一个周期T内电感L两端电压u L对事件的积分为零，即：所以输出电压为：（t on为V处于通态的时间，t off为V处于断态的时间）四、斩波电路的建模与仿真1、直流降压斩波直流降压斩波电路仿真模型如图4-1-1所示，直流电源电压为200V，负载为电阻电感反电动势负载，电阻为2欧姆，电感为5mH，反电动势为80V。

开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为分别为70%和80%。

此时电路的仿真波形如图4-1-2和图4-1-3所示。

三幅波形图中的波形依次为驱动信号、负载电流、负载电压。

电路仿真中奖时间设为0.02s，最终显示波形取0.01--0.02s的电路波形，此时电路已接近稳态。

图4-1-1 直流降压斩波电路仿真模型图4-1-2 占空比为70%的直流降压斩波电路仿真波形图4-1-3 占空比为80%的直流降压斩波电路仿真波形2.直流升压斩波电路直流升压斩波电路仿真模型如图4-2-1所示，直流电源电压为100V，负载为带有电容滤波的电阻负载，电阻为25欧姆，滤波电容为100μF开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为分别为70%和80%。

此时电路的仿真波形如图4-2-2和图4-2-3所示。

三幅波形图中的波形依次为驱动信号、负载电流、负载电压。

电路仿真中，将仿真时间设为0.03s，最终显示波形取0.02--0.03的电路波形，此时电路已接近稳态。

图4-2-1 直流升压斩波电路仿真模型图4-2-2 占空比为70%的直流升压斩波电路仿真波形图4-2-3 占空比为80%的直流升压斩波电路仿真波形3.直流升降压斩波电路直流升降压斩波电路仿真模型如图4-3-1所示，直流电源电压为100V，负载为带有电容滤波的电阻负载，电阻为2欧姆，滤波电容为1000μF。

开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比分别为50%和60%。

此时电路的仿真波形如图4-3-2和图4-3-3所示。

三幅波形图中的波形依次为驱动信号、负载电流、负载电压。

电路仿真中，将仿真时间设为0.04s,最终显示波形取0.03--0.04s的电路波形，此时电路已接近稳态。

图4-3-1 直流升降压斩波电路仿真模型图4-3-2 占空比为50%直流升降压斩波电路仿真波形图4-3-3 占空比为60%直流升降压斩波电路仿真波形五、总结直流斩波电路（DC Chopper）在工业自动化领域应用非常广泛。

直流斩波电路一般应用于各种开关电源及直流电动机电源。

本文对常用的三种直流斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的工作原理及特性进行了较深入的研究，并借助SIMULINK仿真软件对具体电路进行建模仿真。

通过研究与仿真试验，使我对直流斩波电路有了更深的了解。

设计过程中，因为是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。

在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学的知识了解的不够深刻，掌握的不够牢固。

通过查阅有关资料，并于同学互相讨论，交流经验和自学，使自己学到了不少知识，收获颇大。

在做课程设计的这段时间里，通过不断的查找资料，我对直流斩波电路有了更深入的了解，不仅巩固了老师所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决问题的能力。

经过这次课程设计，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，而且要把理论联系实践来学习，不仅要懂理论知识，还要会应用。

此次电力电子课程设计，基本上算是自学了MATLAB中的SIMULINK仿真软件。

在MATLAB绘图时，我也学会了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。

通过对电路图的研究，也增强了自己的思考能力。

总的来说，这次的课程设计还算比较成功。

我相信，今后不管做什么课程设计，只要认真思考认真去做，都将会有所收获，取得成功。

六、参考文献[1] 王兆安，刘进军主编 . 电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社,2009.[2] 周开利，邓春晖主编 . MATLAB基础及其应用教程 . 北京：北京大学出版社，2007.[3] 林飞，杜欣编著．电力电子应用技术的MATLAB仿真．北京：中国电力出版社[4] 洪乃刚主编.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2007.[5] 周渊深主编. 电力电子与MATLAB仿真[M]. 北京：中国电力出版社，2004.。