基于Matlab的“电力电子技术”课程仿真教学研究

张新建?范娟?鲁艳旻?刘沛

摘要：“电力电子技术”课程中电力变换主电路拓扑结构多，相关输出波形分析内容多，给课程教学及学生学习带来了很大的难度。利用MATLAB/Simulink强大仿真功能，以DC/DC变换的Buck电路为例对“电力电子技术”课程的理论教学和仿真教学，进行了详细的分析，使学生能够直观地领会和理解整个“电力电子技术”课程电力拓扑工作过程与仿真教学过程的分析方法和对比处理结果。结果表明，Matlab軟件的运用能显著提高“电力电子技术”课程的教学质量，丰富教学内容，有效提高课堂的教学质量。

关键词：Matlab；电力电子；仿真教学

作者简介：张新建（1980-），男，河南正阳人，华中科技大学文华学院电气与电子工程系，讲师；范娟（1978-），女，湖北黄冈人，华中科技大学文华学院电气与电子工程系，讲师。（湖北 武汉 430074）

基金项目：本文系华中科技大学文华学院“电力电子技术”课程教学改革探索与实践基金支持项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0075-02

“电力电子技术”是一门综合了“电力”、“电子”和“控制”三个领域的新型交叉学科，是实现弱电对强电控制的桥梁和纽带，是电气工程与自动化专业一门非常重要的专业基础课，在培养电气工程、自动化专业人才中具有十分重要的地位。[1，2]本课程涉及到大量的电路分析，是一门与实践联系比较紧密的课程，其电路图多，波形多，很多学生认为难度很大，不易掌握。传统的板书教学及目前的多媒体教学都不能够有效解决这一问题，因为电路的参数一旦发生了变化，其工作状态紧随其进行变化，输出波形也会变化。采用多媒体教学给学生演示的一般为几种典型波形，这些波形的物理概念及其灵活性也比较差，这就给教师的“电力电子技术”课程教学和学生对这门课程的学习理解都带来较大的困难。

Matlab是Mathwork公司推出的一种面向工程和科学运算的交互式计算软件，现已被IEEE评为国际公认的最优秀的科技应用软件，是国内外很多高校本科生必修的课程之一，也是目前最流行的计算机仿真软件，这为“电力电子技术”课程的教学提供了一个较好解决前述问题的一个比较好的途径。

一、Matlab的 Simulink模块介绍

Simulink是Matlab环境中用于动态仿真的软件包，支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统的仿真。Simulink可有效辅助电力电子课程的教学工作，使学生直观看到电路参数化与输出波形变化的关系，帮助学生更好地掌握好电力变换的工作原理，从而提高教学质量，这也为学生就业后采用Matlab软件解决相关实际工程问题提供了一个新的手段。在电力电子教学仿真中，主要用到Simulink模块的SimPowerSystems库及相关辅助模块库。通过这些库可方便地对电力电子的四大类电力变化的任意拓扑结构进行建模，然后对系统进行快速仿真和分析。

二、Buck电路教学实例分析

在DC/DC电力变换中，Buck电路主要应用于直流稳压电源和直流电机的调速，其电路分析和相关计算对于学习和理解后续各种开关电源拓扑工作过程具有重要的借鉴意义。现以DC/DC电力变换的Buck电路教学为列，对其引入Matlab仿真教学后在电力电子课堂教学中的应用进行分析和介绍。

1.Buck电路理论教学分析

Buck电路主拓扑电路结构如图1所示，其工作模式分为电感电流连续模式（Continuous current mode，CCM）和电感流断续模式（Discontinuous current mode，DCM）。[4，5]

图1Buck电路中，电路主开关管T在PWM（Pulse Width Modulation）控制模式下，电路相应工作的输出波形如图2所示。

在Buck电路工作过程的分析中，在课堂讲授中要讲清楚几个关键问题：器件换流问题；功率传输模式及滤波器模式问题；电感电流纹波及电容纹波问题；CCM及DCM工作模式区分问题；开关器件选择问题；稳态性能分析等。[6]这几个关键问题的分析基本都是以KCL、KVL为主线，并通过小信号分析、无源器件（电感和电流）的伏安约束关系、小纹波假设及平均化技术等来展开的。而这些相关的分析与计算都和Buck电路的输出工作波形紧密相关，因此，根据开关管PWM驱动信号，分析工作过程画出如图2所示的Buck电路工作波形尤为重要。

CCM工作模式是Buck电路教学中要讨论的第一种工作模式，但很多学生不理解教材中CCM模式下开关管导通后电感电流波形为何从某一大于0的值开始上升。此时，虽然可以从周期性稳态工作过程进行讨论分析，但学生总存在疑惑。为打消疑惑，需要对电路启动的暂态过程进行分析，然后逐步过渡到电路稳态过程的输出波形。

考虑Buck电路的启动过程，假设图1所示电路中电感电流iLf及电容电压uo初始值都为零。为简化电路分析，令电容电压在一个周期内只变化一次，且只在一个开关周期TS结束时刻变化一次。在第一个开关周期TS1，开关管导通期间（ton1），电感电流线性上升，上升速率为（（Ui-uo）/L），此时uo为0；在第一个周期开关管关断TS1期间（toff1），电感电流下降，下降的速率为（uo/L）。根据假设，此时电路的输出电压uo依然为0，因此第一个开关周期开关管关断期间电感电流下降速率为0，即电感电流值在toff1期间保持不变。在第一个开关周期TS1结束时，令输出电压uo变化上升为某一个值，然后重复第一个开关周期分析过程。在开关管第二次开通期间，由于输出电压uo已经上升为某一个大于零的值，电感电流上升的斜率将略为下降。同理在开关管第二次关断期间，电路中电感电流开始下降，下降的速率将略微增加，重复以上过程，可以分析并画出图1Buck电路从启动的暂态过程到进入稳态工作后的电感电流工作全过程波形，如图3所示。

当Buck电路进入稳态后，其无源器件电感要满足元件的伏安约束关系，即满足伏秒平衡：电感在进入稳定工作状态后，一个稳定周期的末态电流等于初始电流，。此时，其电感电流波形为教材中所熟悉的图2（a）所示。根据电感两端的电压电流约束关系，写出伏秒平衡表达式，如式（1）所示：

（1）

由式（1）結合图2（a）可推导出Buck电路在CCM下，输出电压如式（2）所示：

（2）

式（2）中D为占空比，其值范围为0

上述讨论涵盖了Buck电路工作的启动到最后的稳态，并得出了相关的结论。但由于分析中采用了一定的近似和假设，学生对于理论的推导过程，对于某一个具体的电路，电路中给出对应的具体参数且参数有变化时，电路相关输出波形应如何变化，从CCM过渡到DCM时，输出电压值的具体值及变化趋势等都是理论教学中的难题，此时若采用simulink建模则可非常直观地把所有实时波形及具体值显示出来。

2.Buck电路的建模及仿真

由simulink各模块可方便建立Buck电路简单的开环Matlab仿真电路。由图4、图5、图6可以看出，采用Matlab仿真后，可根据教学推导需要直接修改某些参数并可实时观察到从启动到稳态的整个工作过程的关输出相波形，且可以通过display模块立即看到Buck电路的输出电压值。

在仿真电路中连续改变Buck电路的占空比D，可以看到连续变化参数后的输出电压值和波形。此时，再与理论教学推导的相关波形及公式结果进行直观对比并验证全工作模式下Buck电路输出电压与输入电压关系，如图7所示。这样在教学过程中，就可以很方便地通过参数调整显示各种条件下的电路波形来加强学生对电路原理及各种工作模式的理解。另外，还可以引入反馈形成闭环控制，通过建模仿真来验证一些特殊情况下波形分析的正确性，从而帮助学生更好地理解一些概念，也有利于鼓励学生深入探究，自主学习。

在图7所示电路外特性波形中，IG为负载临界电流，IGmax的表达式如式（3）所示。

（3）

三、结论

限于篇幅，本文仅对DC/DC变换的Bcuk电路进行了简要的引入Matlab仿真教学的电路实例分析，但其教学过程可以扩展到整个电力电子教学的全过程。通过Matlab计算机仿真会引起学生强烈的探究式学习兴趣，这必然会改变以教师为中心的传统授课模式，取而代之的是以学生为中心的自主探究模式学习。此外，对于教学中的难点和重点内容也可以通过把理论教学、仿真教学及实验教学与微视频的教学手段结合起来，起到更好的教学效果。将MATLAB应用于“电力电子技术”课程的教学，不仅大大节省了课时，而且调动了学生的学习积极性和学习兴趣，提高了学生分析、理解问题的能力，对他们以后的学习和工作也会有很大的帮助。

参考文献：

[1]潘再平，马皓.浙江大学“电力电子技术”精品课程建设研究[A].第四届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集（下册）[C].2007.

[2]方忠.“电力电子技术”课程教学改革探讨[J].芜湖职业技术学院学报，2006，（4）：84-86.

[3]苏宝平，臧义.Simulink在“电力电子技术”教学中的应用[J].中国电力教育，2010，（9）：78-79.

[4]陈坚，康勇.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].第三版.北京：高等教育出版社，2002.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

[6]蒋伟，莫岳平.“电力电子技术”课程教学模式研究[J].电气电子教学学报，2013，35（1）：44-46.

（责任编辑：王意琴）