直流斩波电路的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真研究

王　辉　程　坦

摘 要：电力电子技术是工科院校电气信息类专业学生必修的一门专业基础课程，其理论性和实践性较强，电路和波形图多且复杂，通常仿真技术在电力电子技术领域应用不多。应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了Buck电路的仿真模型，在此基础上对Buck电路及Boost-Buck电路进行了较详细的仿真分析。结果表明，仿真波形与常规分析方法得到的结果具有一致性，证实了Matlab软件在电力电子技术教学和研究中具有较好的应用价值。

关键词：Matlab/Simulink；直流斩波电路；电力系统工具箱；建模

中图分类号：TM13文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)05-174-02

Simulation Research of DC Chopper Circuit Based on Matlab/Simulink

WANG Hui,CHENG Tan

(Pingdingshan Institute of Technology,Pingdingshan,467044,China)

Abstract：The course of power electronics is the required specialized course for the students major in electrical information.The course has high theory and practice.It includs much complex circuits and wave forms.The simulation technology is seldom used in the field of power electronics.The simulation model of buck chopper circuit is constructed based on Matlab/Simulink.The buck chopper circuit and Boost-Buck chopper circuit are fully simulated and analyzed based on this model.The results show that the voltage wave forms both based on simulation and based on conventional circuit analysis are identical.It proves that the software has a good application value in the researching and teaching of the power electronic.

Keywords：Matlab/Simulink;DC chopper circuit;power system toolbox;modeling

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-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t璷n时间接通时，加到负载电阻上的电压U璷等于直流电源U璬。当开关S在t璷ff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:

U璷=t璷nT璼U璬=DU璬(1)

式中：t璷n为斩波开关S在一个周期内的导通时间；t璷ff为斩波开关S在一个周期内的关断时间；T璼为斩波周期，T璼=t璷n+t璷ff；D为占空比，D=t璷n/T璼。

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璷的大小。由于D是在0~1之间变化的系数，因此输出电压U璷总小于输入电压U璬，即为降压输出。

图1 降压型斩波器电路及波形

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 Chopper)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R＜sub＞S＜/sub＞=5 Ω,C璖=0；电压源参数取U璖=200 V,E=80 V；负载参数取R=10 Ω,L=5 mH。

图2 由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型

(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0，停止仿真时间设置为0.01 s，控制脉冲周期设置为0.001 s(频率为1 000 Hz)，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。

图3 由IGBT组成的Buck直流变换器仿真结果

由图3可以看出，负载上电压分别为100 V，160 V，80 V，满足U璷=t璷nT璼U璬=DU璬。

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：

U璷=-t璷nt璷ffU璬=-D1-DU璬(2)

式中：负号表示输出电压与输入电压反相。当D=0.5时，U璷=U璬；当D＞0.5时，U璷＞U璬，为升压变换；当D＜0.5时，U璷＜U璬，为降压变换。

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。

图4 由IGBT组成的Boost-Buck直流变换器仿真模型

图5 由IGBT组成的Boost-Buck直流变换器负载电压波形

从图5可以看出，负载上电压分别为100 V，33 V，300 V，满足U璷=-D1-DU璬，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。

(2) 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仿真，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。

(3) 应用Matlab/Simulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况，适合电力电子技术的教学和研究工作。

参考文献

［1］王兆安,黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社,2004.

［2］张志涌.精通Matlab 6.5版［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

［3］周渊深.电力电子与Matlab仿真［M］.北京:中国电力出版社,2004.

［4］华亮,沈申生,胡香龄.Matlab/Simulink在单相交流调压电路仿真中的应用［J］.电力学报,2005,20(4):350-352.

［5］朱晓东,高继贤.Simulink在电力电子中的应用［J］.东北电力学院学报,2005,24(4):85-89.

［6］张宝生,王念春.Matlab在电力电子教学中的应用［J］.电气电子教学学报,2004,26(3):102-104.

［7］杨一军, 王欣.Matlab在负反馈放大电路分析中的应用.现代电子技术,2008,31(13):144-146.

作者简介

王 辉 男，1969年出生，河南邓州人，工学硕士，平顶山工学院教师，副教授。主要从事电力电子技术应用、电力传动及电力系统稳定性分析研究工作。