基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真

西南科技大学专业方向设计报告课程名称：自动化专业方向课程设计设计名称：基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真姓名：学号:班级：指导教师：起止日期：2011-11-10——2011-12-6西南科技大学信息工程学院制2方向设计任务书学生班级：自动0804学生姓名：陆红伟学号：20085104设计名称：基于MATLAB升压—降压式变换器的仿真起止日期：2011-11-10——2011-12-6指导教师：李丽设计要求：１、理解升压－降压式变换器的电路图，对电路中的元器件的作用有深刻的认识。２、在对升压-降压（Boost-Buck）式变换器电路理论分析的基础上，建立基于Simulink的升压－降压式变换器的仿真模型３、运用绝缘栅双极晶体管（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。４、在实际操作中，验证所设计仿真模型的正确性。方向设计学生日志时间设计内容11月8日分析题目要求，目的11月10日联系指导老师，了解其具体要求和做法11月15日收集资料，构建仿真电路草图11月17日在MATLAB中找相应电力电子器件构建模型11月20日仿真电路，修改自己能发现的问题11月28日找指导老师答疑，解决自己未能处理的问题11月29日完成整个电路的仿真12月1日写设计报告12月3日修改并完成报告，整个设计过程结束3基于MATLAB的升压－降压式变换器的仿真一、摘要直流斩波电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，也称DC/VC变换。使用直流斩波技术，不仅可以实现调压功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因素的目的。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。直流斩波包括降压斩波电路、升压斩波电路和升降压斩波电路。而利用升压——降压变换器，既可以实现升压，也可以实现降压。关键词MATLAB升压－降压式变换器斩波电路仿真二、设计目的和意义通过对升压-降压（Boost-Buck）式变换器电路理论的分析，建立基于Simulink的升压-降压式变换器的仿真模型，运用绝缘栅双极晶体管（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。通过仿真分析验证所建模型的正确性。三、设计原理升压-降压式变换器电路图如图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Li和电容电压0u基本为恒值。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Lu对时间的积分为零图1升压-降压式变换器电路图图4则：00dtuTL当V处于通态期间时，EuL；而当V处于端态期间时，Lu0u。于是，onEtofftU0，所以输出电压为:EEttUoffon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0α0.5时为降压，当0.5α1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21IIoffontt可得如下11002IIttInff如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则:1EI20IU，其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。四、详细设计步骤1、在MATLAB中的Simulink下画出仿真模型。打开PowerSystem工具箱中的电力电子模块组,分别复制一个IGBT模块、二极管Diode模块到模型中。打开IGBT对话框,按照默认值设置相关参数,并取消内部缓冲电路,即RS=inf、CS=0。打开电源模块,复制一个直流电压源模块Us，电压源Us=100V。打开元件和接地模块组,复制一个串联RLC元件模块和一个并联RLC原件模块以及接地模块到模型窗口中打开参数设置对话框,要将串联的RLC电路改单个L原件，设置参数为R=0Ω、L=5mH，C=inf。将并联的RLC原件模块改成并联的RC模块，设置参数为R=50Ω、L=inf、C=3e-6图2升降压电路电源电流及负载电流波形5从Simulink信号与系统模块组中复制一个具有两个输出信号的分离器,输入端连接到IGBT的m端(用于IGBT电流和电压的测量),一个输出端接到示波器Scope的输入端上。从Simulink输入源模块组中复制一个脉冲发生器模型模型窗口中,命名为Pulse并将其输出接到IGBT的门极上。从连接器模块组中复制两个T连接器到仿真模型窗口中,作为多元件连接的节点。2、设计仿真电路模型图如图3所示：负载为阻性RLC时：负载为电容C时：6负载为RLC串接反电动势：图3升压-降压式变化器仿真电路模型图3、仿真打开仿真参数窗口,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0.002s打开脉冲发生器窗口，参数设置：幅值=10，周期=0.0001，占空比分别为30%、50%、75%。通过示波器可以得出在不同的占空比下，IGBT的电流值，电感的电流值以及负载的电压值，波形图如下。其中，Ic为IGBT电流，Il为电感电流，V为负载输出电压1、当负载为RLC时，设置参数为R=50Ω、L=inf、C=3e-6F，观察输出波形。a、图4为占空比为30%时，Ic、V、Il的值7图4占空比为30%时Ic、V、Il的值b、占空比为50%时Ic、V、Il的值图5占空比为50%时Ic、V、Il的值c、占空比为75%时Ic、V、Il的值8图6占空比为75%时Ic、V、Il的值2、改变电路中电容C值，设置参数C=3e-5F，R=0Ω，观察输出值。a、占空比为30%时，以下分别为Ic、V、Il的值图7占空比为30%时Ic、V、Il的值b、占空比为50%时，以下分别为Ic、V、Il的值9图8占空比为50%时Ic、V、Il的值C、占空比为75%时，以下分别为Ic、V、Il的值图9占空比为75%时Ic、V、Il的值3、在负载为串联RLC和反电动势E串联情况下，设置参数E=20V、R=50Ω、L=inf、C=3e-6F；仿真参数中的停止时间修改为0.01s。观察在不同占空比下的输出a、当占空比为30%时，以下分别为Ic、V、Il的值10图10当占空比为30%时Ic、V、Il的值b、占空比为50%时，以下分别为Ic、V、Il的值图11占空比为50%时Ic、V、Il的值c、占空比为75%时，以下分别为Ic、V、Il的值11图12占空比为75%时Ic、V、Il的值五、仿真结果分析：分析仿真结果可得：在改变占空比——既导通角α是，就可相应地改变负载的电压值。当0α0.5时为降压，当0.5α1时为升压仿真中，在负载为RLC的情况下，α=0.3时，如图4，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40V时保持稳定，达到了降压的效果，α=0.5时，如图5所示，负载电压在示波器显示中数值稳定在100V，则和电源电压一样，此时电路既没有升压也没有降压，而当α=0.75时，如图6所示，仿真得到的负载电压在示波器显示中数值在220V时保持稳定，达到了升压的效果。在负载为电容C的情况下，通过图7—图9可得，当导通角α=0.3时，负载输出的电压值明显小于电源电压；而α=0.75时，负载输出的电压高于电源电压。而在负载为串联RLC和反电动势E串联情况下，在和负载为RLC的情况作对比即观察图4与图10可以明显得出结论，此时的输出电压V=U+E（其中U为负载在仅有RLC情况下的输出电压，E为接入电路中反电动势的设置值），因此该电路负载的输出电压的最小值为E。在改变导通角的时候就改变了U，即是改变了V。依据上述的几种情况，可以得出，该电路及仿真模型能够实现升压-降压的变换。12六、在建立仿真模型和仿真过程中遇到的问题及解决方法1、在Simulink中找不到单个的电感L和并联RC电路。解决方法：在通过查阅《MATLAB应用技术》在这本书后，发现可以将串联的RLC电路原件改成单个的R原件、单个的L原件和单个的C原件。而并联的RLC电路也可改成任何的两个要原件的并联电路。将串联的RLC电路原件改成单个L原件的方法为修改其参数，设定R=0Ω，C=inf。将并联RLC电路原件改成并联RC电路也是设定参数，设定L=inf。2、为了测定二极管的电流，但是在Simulink中能找到的二极管Diode少了一个引脚，在《电力电子技术》书中说GTO和二极管参数基本相同，于是我用GTO代替二极管Diode，可是在仿真的时候出现错误。解决方法：在通过李老师的讲解后，明白此处不能用GTO，因为此处没有GTO的触发电路，GTO没能导通，还是要用二极管Diode，但不用测二极管电流，所以Simulink中找到的二极管Diode符合要求。3、在模型建立正确的基础上，仿真时不能得到正确的波形解决方法：通过分析，真是参数没有设定对的原因，于是在网上搜索了关于该模型的相关参数设定后，还是没有得到正确的结果。在经过李老师的详细讲解过后，了解了相关参数设定的大致范围。其中并联RC电路中得C应该很小，经过多次尝试后，将C=3eF改为C=3e-6F，将停止仿真时间设置由0.0015s改为0.002s，而脉冲周期由原来的0.00001改为0.0001七、总结在以前的《电力电子技术》学习中，升压-降压式变换电路既升-降压直流斩波电路是一个学习重点，通过老师的讲解和教材的详细理论分析后，对整个电路的工作原理以及该电路实现的功能都有了充分的了解。而这次对该电路的仿真，即是一次实践对理论的验证。在对升压-降压式变换电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的升压-降压式变换电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。通过对以上的仿真过程以及输出电压波形结果的分析，成功地验证了该电路的功能；即通过改变导通比α，则可以输出电压的大小，即可小于电源电压，也可大于电源电压。当0α0.5时，输出电压小于电源电压，此时电路为降压；当0.5α1时，输出电压大于电源电压，此时电路为升压。13应用MATLAB／Simulink进行仿真，可以在仿真过程中灵活改变仿真参数，并且能通过示波器直观地观察到仿真结果随参数的改变而变化得情况。而这整个过程的仿真，比其它任何方法都直观明了，还省去了很多复杂过程。应用MATLAB对升降压式变换器电路仿真研究时，我们就可以在改变不同的导通比的情况下较为直观的观察负载电压的输出变化。MATLAB提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对升压-降压式变换电路进行建模，在不同导通比的情况下进行了仿真分析，在进一步加深了升压-降压式变换电路的理论的同时也为电力电子技术的学习和电力电子器件的性能和相关参数的掌握起了很好地促进作用。MATLAB作为一种集数学计算、分析、可视化、算法开发与发布等于一体的软件平台，通过其及相关工具，可以在统一的平台下完成相应地科学技术工作。不仅是对MATLAB矩阵的运算，还可以对算法、图形、图像、报告以及各种仿真，并且还能大大提高工作效率，达到事半功倍的效果。这次关于对升降压式变换器电路的建立和仿真只是应用其中的一小部分功能，这完美地凸显了该软件的功能强大，还需要以后更多地学习。八、体会这一次的专业方向的课程设计，它作为毕业设计的”热身”，我们在完成题目要求的同时还要总结经验，尽可能对毕业设计有所帮助。通过这次的课程设计，我在成功地验证了所建电路模型的正确性的同时，并且对MATLAB更加地熟练以及电力电子器件有了更深的了解。而整个仿真过程让我收获颇丰。从知道题目之后，我就开始着手题目的分析以及相