直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究

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

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：

   
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。<Ud，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。

    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。