直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究
直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究
0 引 言
在电力电子技术中，将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换，称为直流一直流变换。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。
这里主要讨论了PWM(脉冲宽度调制)控制方式的降压电路(Buck Chopper)，并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该电路及升降压电路(Boost-Buck Chopper)进行了建模，并对仿真结果进行了分析，既避免了繁琐的绘图和计算过程，又尝试得到了一种直观、快捷分析直流变换电路的新方法。
1 直流斩波电路工作原理
直流降压斩波电路原理图如图1(a)所示。图中用理想开关S代表实际的电力电子开关器件；R为纯阻性负载。当开关S在ton时间接通时，加到负载电阻上的电压U。等于直流电源Ud。当开关S在toff时间断开时，输出电压为零，直流变换波形如图1(b)所示。
输出电压平均值为：
式中：ton为斩波开关S在一个周期内的导通时间；toff为斩波开关S在一个周期内的关断时间;Ts为斩波周期，T＝ton＋t0ff；D为占空比，D＝ton／Ts。
由此可见，改变导通占空比D，就能够控制斩波电路输出电压U。的大小。由于D是在0～1之间变化的系数，因此输出电压U。总小于输入电压Ud，即为降压输出。
2 直流斩波电路的建模与仿真
2.1 仿真模型及参数设置
(1)由IGBT构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参数设置
图2为由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型，IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路，即Rs=5 ΩQ，Cs=0；电压源参数取Us=200 V，E=80 V；负载参数取R=10 Ω，L=5 mH。
(2)直流降压斩波电路的仿真
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O，停止仿真时间设置为O.01 s，控制脉冲周期设置为O.001 s(频率为1 000Hz)，控制脉冲占空比为50％。参数设置完毕后，启动仿真，得到图3的仿真结果。
由图3可以看出，负载上电压分别为100 V，160 V，80 V，满足
2.2 直流升降压斩波电路(．Boost－Buck Chopper)的仿真
升降压斩波电路输出电压平均值为：
点击看原图
式中：负号表示输出电压与输入电压反相。当D＝O.5时，U。=Ud；当D>O.5时，U。>Ud，为升压变换；当D<0．5时，u。
图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型，IGBT按默认参数设置并取消缓冲电路，负载R＝50 Ω，C＝3e－05 F，电感支路L＝5 mH。启动仿真，得到图5的仿真结果。
从图5可以看出，负载上电压分别为100 V，33 V，300 V，满足与升降压斩波理论分析吻合。
3 结 语
通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：(1)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。
实验23 直流斩波电路（Buck—Boost变换器）研究
一、实验目的
1．掌握(Buck—Boost)升降压开关变换电路的工作原理及特点；
2．掌握(Buck—Boost）升降压变换开关电路的调试方法。
二.实验线路及原理
实验线路如图3-19所示：
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图3-19 Buck—Boost实验线路图
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（Buck—Boost）电路是可升降压的DC-DC直流开关变换电路，通过控制晶体管VT基极的PWM信号中的占空比，便可达到升降压的目的。图3-19是它的工作原理图。
图3-20 Buck—Boost主电路
工作原理简述如下：
1、当0≤t≤t1
晶体管VT导通，其等效图3-21所示
图3-21 VT导通等效图 图3-22 VT关断等效图
假定在此期间电感电流按线性规律上升，从I1变到I2，△I=I2—I1，则有
2、当t1≤t≤t2
晶体管VT关断，二极管D导通，其等效电路如图3-21所示。期间，电感电流从I2线性下降到I1，则有
根据上述的分析，可以推导出Ud和U0的关系：
k：导通占空比，具体推导过程请看教材。
三、实验内容
1．主电路电感电流处于连续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测；
2．主电路电感电流处于断续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测；
3．主电路电感电流处于临界连续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测；
4．研究频率变化对电路工作的影响；
5．研究负载改变对电路工作的影响；
6．研究主电路电感L改变对电路工作的影响；
7．占空比k与输出电压U0之间的函数关系测试；
8．研究输入滤波器的作用。
四、实验设备与仪器
DDSX 01型电源控制屏；
DDS 31“Buck、Buck-Boost”单元实验掛箱；
DT 10“直流电压、电流表”实验挂箱；
示波器等。
五、实验方法
1．主电路电感电流处于连续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测
打开DDS31实验掛箱右下角电源开关，断开Buck—Boost电路单元电源开关S3，按表10接线：
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????????????????????????? 表10
接线完毕，仔细核对无误，注意千万不要将线错接在Buck单元上。
接通电源将S3开关拨向“通”。将频率开关S2拨向“通”，同时，将Buck单元上的S1电源开关拨向“断”，否则，Buck——Boost单元将无直流电源输入。将RP3负载电位器调在中间适当位置，转动RP2调节占空比，用示波器接到“29”和“30”两个端口即RS4两端，观察电感电流iL使之处于连续导通状态，用示波器观察测量uDS（26、28端）、uGS（27、28端）、uD（33、35端）、uL（30、31端） 、ie（28、29端）、iL（29、30端并标注数值）、iD（29、33端），记录它们的波形，注意它们之间的相位关系。
2．主电路电感电流处于断续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测
保持原接线，将示波器接到“29”和“30”两个端口即RS4两端，转动RP2调节占空
比，观察电感电流iL使之处于断续导通状态，用示波器观察测量uDS、uGS、uD、uL 、ie、iL（标注数值）、iD，记录它们的波形，注意它们之间的相位关系。
3．主电路电感电流处于临界连续导通状态时，电路相关各工作点波形的研究观测
保持原接线，转动RP2调节占空比，观察电感电流iL使之处于临界连续导通状态，用
示波器观察测量uDS、uGS、uD、uL 、ie、iL（标注数值）、iD，记录它们的波形，注意它们之间的相位关系。
4．研究频率变化对电路工作的影响
保持原接线，调节“PWM与驱动电路单元”RP2电位器，使电感电流iL波形处于临界连续导通状态，用示波器测量此时的输出波形的频率；再将频率开关S2拨向“断”，观察频率变化对电感电流iL的影响，并记录电感电流iL的变化。并推测uDS、uGS、uD、uL 、ie、iD和负载电压的变化。
5．研究负载改变对电路工作的影响
保持原接线，再将频率开关S2拨向“通”，转动RP2调节占空比K，用示波器观察电感电流iL，使之处于临界连续导通状态，转动RP3，调节负载电阻从小到大，观测负载电压的变化，观察电感电流iL的波形，记录它的变化趋势。同时，推测uDS、uGS、uD、uL 、ie、iD的变化。
6．研究主电路电感L改变对电路工作的影响
保持原接线，转动RP2，调节占空比K，用示波器观察电感电流iL，使之处于临界连续导通状态，再将“34”和“30”连接，即L2和L3并联，记录电感电流iL的波形。同时，推测uDS、uGS、uD、uL 、ie、iD和负载电压的变化。
然后断开“31”和“32”、“30”和“34”的连接，将“31”和“34”连接，即将L2和L3串联，记录电感电流iL的波形。同时，推测uDS、uGS、uD、uL 、ie、iD和负载电压的变化。
7．占空比k与输出电压U0之间的函数关系测试
用电压表分别测量输入电压Ud（“22”、“23”两端），和输出电压U0（“36”、“37”两端），调节RP2使占空比K从小到大，记录5~6组数据，并填入表11：
表11
根据实验所测数据，绘制UO ~ k的曲线，并给出它们的函数表达式。
8．研究输入滤波器的作用
将示波器接到“23”、“32”两端，（或用示波器接到“22”、“23”两端）观察is记录波形，然后断开“22”和“24”、“25”和“26”的连接线，连接“22”和“26”，将输入滤波器断开，记录波形，比较它们之间的区别。
六、实验报告
1．按时序画出在临界、连续、断续导通三种状态下，Buck—Boost电路u DS、u GS、u D、uL 、ie、iL、iD各点波形。
2．Buck——Boost电路临界、断续、连续导通三种状态，主要和哪些因素有关？
3．根据实验所测的ΔI、工作频率f、输出电压UO、占空比K、输入电压Ud，求主电路电感L、C的取值。
4．简述Buck—Boost电路的特点。
5．实验分析总结。
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