电力电子升降压变换器课程设计.docx

1绪论
《电力电子技术》课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课
程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。

其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

《电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。

通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。

斩波电路 (DC Chopper)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( DC/DC Converter)。

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。

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。

本文分析了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。

2升降压斩波电路的设计
2.1 升降压斩波电路工作原理
（1）V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为i1 。

同时， C 维持输出电压恒定并向负载R 供电。

（2）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，该电路也称作反极性斩波电路。

a)原理图
b)波形图
图（ 3）升压 /降压斩波电路的原理图及波形图
数量关系：
稳态时，一个周期T 内电感 L 两端电压 uL 对时间的积分为零，即：
T
u
L
d
t
当 V 处于通态时， u L E ；当 V 处于断态时， u L
u o ；于是：
Et on
U 0 t
off
所以输出电压为：
U 0
t on E
t
on
E
E
t off
T
t
on
1
由此可见，改变导通占空比α，就能够控制斩波电路输出电压
U 。

的大
小。

当 0<α<1/2 时为降压，当 1/2< α<1 时为升压，故称作升降压斩波电路。

图（3）b) 中给出了电源电流 i1 和负载电流 i2 的波形，设两者的平均值
分别为 I1 和 I2 ，当电流脉动足够小时，有：
I 1 t
on
I 2
t
off
由上式可得：
t
off
1
I 1
I 2
I 1
t
on
如果 V 、 VD 为没有损耗的理想开关时，则：
EI 1 U o I 2
其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。

2.2 根据升降压斩波电路原理图
如图（ 3），建立升压 - 降压式变换器仿真模型，如图（ 4）所示：
图（ 4）升压 - 降压式变换器仿真模型2.3的建模和参数设置：
2.3的建模和参数设置：
3.设计结果及分析
1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的33.3%，
2、仿真结果如图（ 5）所示：
图（ 5）控制脉冲占空比33.3%
从图 5 可以看出，负载上平均电压为10 V，波形为有少许波纹的直流电压；
E E10V，Uo 与E 极性相反；
理论计算：U 0
1
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66.6%，
4、仿真结果如图（6）所示：
图（ 6）控制脉冲占空比66.6%
从图 6 可以看出，负载上平均电压为40 V，波形为有少许波纹的直流电压；
解输出 10v 时的占空比 Dc=1／3
则
Lc=R／2(1-Dc)2Ts=10 ／2×（ 2/3 ）2 ×1/20000=104uH
C=V0DCTS/R△U0=1/10×0.2×3×20000=886uF
输入 40v 时的占空比为Dc=2/3
则
Lc= R／2(1-Dc)2Ts=10 ／2×（ 1/3 ）2 ×1/2000=10.4uH C=V0DCTS/R △U0=1/10×0.2×3×20000=886uF
4总结
通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：
(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)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：U
t
on E
t
on E E
；若改变导通比
α，t
off T t on1
则输出电压可以比电源电压高，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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

5体会
本次设计中我查阅了相关书籍、资料，首先对直流斩波电路有了大致的掌握，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。

进一步复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
SCOPES（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。

同时在仿真建模的基础上对升降压斩
波Boost— Buck 电路进行了详细的仿真分析，将仿真波形与常规分析方法
得到的结果进行比较，提高了我设计建模的能力、分析总结能力及加强了对
Matlab/Simulink 软件的熟练程度。

总之，通过这次基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真的设计，我无论在理论分析上还是在建模仿真上都是受益颇多，体会到了 Matlab 软件在电力电子技术学习和研究中的应用价值，同时它也是能让我们将理论与实践
相结合、将所学知识系统化联系在一起的很好的工具，经过仿真能使所学的
概念理解的更清晰、知识掌握的更牢固。

参考文献
[1]王兆安、黄俊．电力电子技术．机械工业出版社， 2009．6
[2]王忠礼、段慧达、高玉峰． MATLAB 应用技术—在电气工程与自动化专
业中的应用．清华大学出版社， 2007． 1
[3]王辉、程坦．直流斩波电路的 Matlab/Simulink 仿真研究．现代电子技术，2009．5：174-175。