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(duì)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(jià)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(guò)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)、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(duì)該電路及升降壓電路(Boost-Buck Chopper)進(jìn)行了建模，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，既避免了繁瑣的繪圖和計(jì)算過(guò)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(shí)間接通時(shí)，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(shí)間斷開時(shí)，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(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；toff為斬波開關(guān)S在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)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(duì)誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為O，停止仿真時(shí)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(dòng)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：

   
式中：負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。當(dāng)D＝O.5時(shí)，U。=Ud；當(dāng)D>O.5時(shí)，U。>Ud，為升壓變換；當(dāng)D<0．5時(shí)，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(dòng)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(yǔ)
    通過(guò)以上的仿真過(guò)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(guò)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(duì)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(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。