直流斬波電路的Matlab/Simulink仿真研究

摘要：電力電子技術(shù)是工科院校電氣信息類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，電路和波形圖多且復(fù)雜，通常仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用不多。應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立了Buck電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對Buck電路及Boost—Buck電路進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。結(jié)果表明，仿真波形與常規(guī)分析方法得到的結(jié)果具有一致性，證實(shí)了Matlab軟件在電力電子技術(shù)教學(xué)和研究中具有較好的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：Matlab/Simulink；直流斬波電路；電力系統(tǒng)工具箱；建模

0 引 言
    在電力電子技術(shù)中，將直流電的一種電壓值通過電力電子變換裝置變換為另一種固定或可調(diào)電壓值的變換，稱為直流一直流變換。直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動機(jī)傳動、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。
    這里主要討論了PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方式的降壓電路(Buck Chopper)，并應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink，對該電路及升降壓電路(Boost-Buck Chopper)進(jìn)行了建模，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，既避免了繁瑣的繪圖和計算過程，又嘗試得到了一種直觀、快捷分析直流變換電路的新方法。

1 直流斬波電路工作原理
    直流降壓斬波電路原理圖如圖1(a)所示。圖中用理想開關(guān)S代表實(shí)際的電力電子開關(guān)器件；R為純阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)S在ton時間接通時，加到負(fù)載電阻上的電壓U。等于直流電源Ud。當(dāng)開關(guān)S在toff時間斷開時，輸出電壓為零，直流變換波形如圖1(b)所示。

    輸出電壓平均值為：

   
式中：ton為斬波開關(guān)S在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間；toff為斬波開關(guān)S在一個周期內(nèi)的關(guān)斷時間;Ts為斬波周期，T＝ton＋t0ff；D為占空比，D＝ton／Ts。
    由此可見，改變導(dǎo)通占空比D，就能夠控制斬波電路輸出電壓U。的大小。由于D是在0～1之間變化的系數(shù)，因此輸出電壓U?？傂∮谳斎腚妷篣d，即為降壓輸出。

2 直流斬波電路的建模與仿真
2.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置
    (1)由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路(Buck Chop-per)的建模和參數(shù)設(shè)置
    圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，并取消緩沖電路，即Rs=5 ΩQ，Cs=0；電壓源參數(shù)取Us=200 V，E=80 V；負(fù)載參數(shù)取R=10 Ω，L=5 mH。

    (2)直流降壓斬波電路的仿真
    打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時間設(shè)置為O，停止仿真時間設(shè)置為O.01 s，控制脈沖周期設(shè)置為O.001 s(頻率為1 000Hz)，控制脈沖占空比為50％。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動仿真，得到圖3的仿真結(jié)果。

    由圖3可以看出，負(fù)載上電壓分別為100 V，160 V，80 V，滿足
2.2 直流升降壓斬波電路(．Boost－Buck Chopper)的仿真
    升降壓斬波電路輸出電壓平均值為：

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式中：負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓反相。當(dāng)D＝O.5時，U。=Ud；當(dāng)D>O.5時，U。>Ud，為升壓變換；當(dāng)D<0．5時，u。<Ud，為降壓變換。
    圖4給出了由IGBT元件組成的升降壓斬波電路仿真模型，IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置并取消緩沖電路，負(fù)載R＝50 Ω，C＝3e－05 F，電感支路L＝5 mH。啟動仿真，得到圖5的仿真結(jié)果。

    從圖5可以看出，負(fù)載上電壓分別為100 V，33 V，300 V，滿足與升降壓斬波理論分析吻合。

3 結(jié) 語
    通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論：(1)直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。