基于MATLAB软件的直流斩波电路的研究

魏立明，吕雪莹

(吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春　130118)



基于MATLAB软件的直流斩波电路的研究

魏立明，吕雪莹

(吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春130118)

摘要：根据直流降压斩波电路和直流升压斩波电路的工作原理，并基于Matlab软件分别搭建升、降压斩波电路的系统模型.最后对仿真输出的波形进行分析.得到更加直观、清晰的仿真曲线，并且仿真结果符合理论知识，为斩波电路在电力电子技术教学和研究上提供了参考.

关键词：降压斩波电路；升压斩波电路；Matlab仿真

0引言

直流斩波器和直流PWM电路可以调节、改变直流电的电压和电流，斩波器和脉宽调制原理取代了在电力电子技术出现之前的直流发电机的调制方式，并且得到了迅速发展，在许多工业领域和日常生活中得到了广泛的应用[1]，通过设计不同的直流-直流变换电路，可以满足不同设备的性能，本文根据直流降压、升压斩波电路的理论知识，采用MATLAB/SIMULINK软件对其搭建模型，得到更加直观的仿真结果，对斩波电路进行分析.

1直流升压斩波电路的工作原理

直流升压斩波电路是由电源、斩波控制元件IGBT、二极管D、电感L组成，图1为直流升压斩波电路的电路图.直流升压斩波电路由两个阶段构成：

阶段1：在IGBT导通期间，电感L和IGBT上有电流流过，iL上升，电感L储存电能，此时，电容C为负载电阻R供电，二极管D起到阻断电容C经IGBT放电的回路.

阶段2:在IGBT关断期间，电感释放电能，电源E和电感反电动势共同为电容C充电，电流iL下降，如果电容足够大，电容电压Uc≈Ud，负载电阻R的电流iR是连续的.

(1)

(2)

式中：α是占空比.

当占空比越接近于1时，Ud越高.因为在IGBT关断时，电源E和电感反电动势的共同为电容C充电，所以负载侧电压Ud可以大于E，电路起到了升压作用[2].并且，电路中电感值的大小、IGBT导通时间和电容值以及负载值均有关系.

图1　升压斩波电路的工作原理

2直流降压斩波电路的工作原理

直流降压斩波电路的组成元件同直流升压斩波电路一样，电感元件有储存电能和和滤除谐波的功能，二极管起到续流的作用，直流降压斩波电路的负载可以是电容、电感、电阻，也可以为直流电动机电枢等[3].降压斩波电路的工作原理(见图2).

给开关管施加一个驱动信号，开关管T(IGBT)在t=0时导通，Ud=E,在t=toff时，开关管T关断，此时，电感L经二极管D续流.Ud=0，输出平均电压

(3)

开关管T在导通区间时，电流id流经电动势，开关管T，电感和电阻，此时，二极管D截至，电路电压

方程为：

(4)

图2　降压斩波电路的工作原理L

3直流升、降压斩波电路的建模与仿真分析

3.1直流升压斩波电路建模与仿真分析

本文中，开关控制T由IGBT组成，脉冲振幅设置为5，脉冲周期为0.002 s,脉冲宽度设置为80，电源E为24 V，电阻R=5 Ω，电感L=0.1 mH,电容为1×10-4F,IGBT和二极管D均为默认值，采用ode23(Bogacki-Shampine)，仿真时间设置为0.01 s,直流升压斩波仿真模型(见图3).

图3　直流升压斩波仿真模型

图4～图6分别为输出电压、流经电感电流、负载供电电流.当流经电阻的电流很小时，电容充电电流大于放电电流，负载侧的电压升高，从图4中可以看出，从零开始电压迅速上升，但其电压波动幅值较大，应增加滤波电容或者提高变换效率[4].占空比的大小与负载大小成反比，当占空比较小时，负载较轻.

3.2直流降压斩波电路建模与仿真分析

图4　输出电压

图5　流经电感电流

图6　负载供电电流

图7　直流降压斩波仿真模型

直流降压斩波电路参数设置：输入电压U=220V，脉冲振幅为5，脉冲时间为0.02 s，电阻R=500 Ω，电感为10 H，E=50 V,IGBT和二极管D均为默认值，采用ode23(Bogacki-Shampine)，仿真时间设置为0.08 s,直流降压斩波仿真模型(见图7).图8～图9分别为负载电流和负载电压.经过几个周期当电流峰值相等时，电路则进入了稳定的状态.斩波电路采用PWM调制时，其脉冲频率高，当占空比α的取值较大时，电感L足以使电流续流

图8　负载电流

且连续，此时，认为电流为恒值.在占空比的取值较小时，电感L未能充满足够的电能，会出现电流断续的状况.控制主电路的导通与关断，将恒定的直流电斩断成方波电.

图9　负载电压

4结论

本文首先对直流升压、降压斩波电路的工作原理进行了详细的分析，采用MATLAB软件对直流升压、降压斩波电路模型进行系统搭建，得到更加直观、清晰的仿真曲线，并且仿真结果符合理论知识，为斩波电路在电力电子技术教学上提供了参考及借鉴.

参考文献：

[1]李瑾.一种升压/降压占勃起与可逆PWM调制相兼容的实验电路设计[J].科技广场,2011(1):203-206.

[2]洪乃刚,陈坚.电力电子技术[M].北京：清华大学出版社,2008.58-60.

[3]张志军,荣军,刘祥松.直流升降压变换系统的建模与仿真[J].电子技术研发,2014(2):5-7.

[4]周婷,荣军,罗方思,等.升降压电路和Cuk电路的比较研究[J].船电技术,2015,35(7):67-71.

[5]王辉,程坦.直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究[J].现代电子技术,2009(5):174-178.

信息启示

学校召开深化改革推进会 着力提升应用型建设水平

12月3日上午，学校召开全面深化综合改革工作推进会，检查了方案制定情况及改革举措推进情况，部署了下一步工作.

校党委书记符宁平主持会议，深化改革领导小组全体成员参加会议.

为了促进学校转型发展，尽快建成合格的本科院校，进而向着建成特色鲜明的应用技术型本科院校既定目标迈进，学校于今年10月成立了“深化改革加快推进应用技术型本科建设领导小组”，并设立8个专项工作组.经过充分酝酿，校党委出台了《浙江水利水电学院关于深化改革加快推进应用技术型本科建设的意见》.此次大会，是进一步落实《意见》，掌握改革整体推进情况，作出具体部署的关键节点.各专项工作组的牵头单位汇报了改革任务、推进方案、存在困难以及拟采取的措施.

学校深化改革方案以培养应用型人才、优化学科专业结构、强化产学研合作、深化人事制度改革、优化资源配置、完善治理体系、加强党的建设等七大任务为主要任务.全面深化综合改革，推进应用技术型本科建设是学校的当务之急，是实现“三步走”发展战略目标的必由之路.

符书记在总结时提出，学校从专科办学到建设应用技术型本科，必须以改革谋发展，不改革就很难发展，改革是事关学校前途命运的大事.用原来的老办法寸步难行，改革也不是修修补补，需要系统设计、整体推进.符书记强调要进一步提高对深化综合改革认识的高度、力度、深度，增强推动改革的思想自觉和行动自觉.

符书记对下一步工作作出了具体部署：一是以问题为导向，搞清楚学校转型发展中存在的问题，抓住关键点，找准切入点，明确“短板”.要以问题为导向谋划改革方案，对问题进行归类分析，带着问题去调研，在广泛调研取经的基础上，全校通力合作谋划解决方案.二是要细化方案，分清改革的主次轻重，设计好各个专项改革的时间表、路线图，使改革方案操作性强，分工明确，标准明确，时限明确.

摘自浙江水利水电学院网

Research of DC Chopper Circuit Based on Matlab

WEI Li-ming, LV Xue-ying

(School of Electrical and Computer, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Abstract:The working principle of the DC step-down chopper circuit and DC boost chopper circuit is introduced in the paper. The system models of boost and step-down chopper circuit were built up respectively based on Matlab software. Finally, the waveform and simulation results are analyzed. The research on DC chopper circuit provides a theoretical reference in the teaching of power electronics technology.

Key words:step-down chopper circuit; boost chopper circuit; Matlab simulation

中图分类号：TM13

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0077-04

作者简介：魏立明(1974-)，男，教授，博士，从事电气工程及其自动化方面的教学与科研工作.

收稿日期：2015-09-07