直流斩波电路的Matlab_Simulink仿真研究

直流斩波电路的 Matlab /Simul ink 仿真研究 王 　辉 ,程 　坦 (平顶山工学院 　河南 平顶山 　467044) 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 Boost2Buck 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 :10042373X(2009) 052174202 Simulation Research of DC Chopper Circuit Based on Matlab/ Simulink WAN G Hui ,CH EN G Tan ( Pingdingshan Institute of Technology ,Pingdingshan ,467044 ,China) Abstract : The course of power elect ronics is the required specialized course for the student s major in elect rical informa2 tion. The course has high theory and practice. It includs much complex circuit s and wave forms. The simulation technology is seldom used in the field of power elect ronics. The simulation model of buck chopper circuit is const ructed based on Matlab/ Simulink. The buck chopper circuit and Boost2Buck chopper circuit are fully simulated and analyzed based on this model. The result s show that the voltage wave forms both based on simulation and based on conventional circuit analysis are identical. It p roves that the software has a good application value in the researching and teaching of the power elect ronic. Keywords :Matlab/ Simulink ;DC chopper circuit ;power system toolbox ;modeling 收稿日期 :2008209216 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2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 (Boost2 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 Uo 等于直流电源 U d 。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 : Uo = tonTs U d = DU d (1) 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 , Ts = ton + toff ; 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Uo 的大小。由于 D是在0～1之间变化的系 数 ,因此输出电压 Uo 总小于输入电压 U d , 即为降压 输出。 图 1 　降压型斩波器电路及波形 471 电 子 技 术 王 　辉等 :直流斩波电路的 Matlab /Simulink 仿真研究 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 IGB T 构成直流降压斩波电路 (Buck Chop2 per)的建模和参数设置 图 2 为由 IGB T 组成的 Buck 直流变换器仿真模 型 , IGB T 按默认参数设置 ,并取消缓冲电路 ,即 RS = 5Ω , CS = 0 ;电压源参数取 U S = 200 V , E = 80 V ;负载 参数取 R = 10Ω ,L = 5 m H。 图 2 　由 IGB T 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 ode23t b 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 IGB T 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 Uo = tonTs U d = DU d 。 2. 2 　直流升降压斩波电路 (Boost2Buck Chopper) 的 仿真 　　升降压斩波电路输出电压平均值为 : Uo = - ton toff U d = - D1 - DU d (2) 式中 :负号表示输出电压与输入电压反相。当 D = 0 . 5 时 , Uo = U d ;当 D > 0 . 5时 ,Uo > U d ,为升压变换 ;当 D < 0 . 5 时 ,Uo < U d ,为降压变换。 图 4 给出了由 IGB T 元件组成的升降压斩波电路 仿真模型 , IGB T 按默认参数设置并取消缓冲电路 ,负 载 R = 50Ω , C = 3e - 05 F ,电感支路 L = 5 m H。启动 仿真 ,得到图 5 的仿真结果。 图 4 　由 IGB T 组成的 Boost2Buck 直流变换器仿真模型 图 5 　由 IGB T 组成的 Boost2Buck 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 Uo = - D1 - DU d ,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。 (下转第 178 页) 　 571 《现代电子技术》2009 年第 5 期总第 292 期 　þ 电子技术应用 ü 图 5 　自适应调整电路结构框图 参 　考 　文 　献 [1 ] 张玉兴. 射频模拟电路[ M ] . 北京 :电子工业出版社 ,2002. [2 ] Rowan Gilmore Los Besser. 现代无线系统射频电路实用设 计[ M ] . 杨芳 ,翁木云等 ,译. 北京 :电子工业出版社 ,2006. [3 ] AWR Microwave Office User Guide. Applied Wave Re2 search ,Inc ,2003. [4 ] 毛文杰. 基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究 [D ] . 杭州 :浙江大学 ,2003. [5 ] 刘文坚 ,曾沂粲 ,全景才. 前馈高频功率放大器线性化的研 究[D ] . 华南理工大学学报 :自然科学版 ,2001 (5) :86289. [6 ] 郭秀惠 ,叶宇煌. 前馈式 RF 功率放大器的线性化技术[J ] . 通信技术 ,2002 (4) :20222. [7 ] 张雷 ,周健义 ,洪伟. 射频功率放大器前馈宽频带线性化技 术的研究[J ] . 微波学报 ,2007 ,23 (6) :52257. [8 ] John G P. Digital Communications[ M ]. 北京 :电子工业出版 社 ,2001. [9 ] Woo Y Y , Yang Y , Yi J . A New Adaptive Feedforward Am2 plifier for WCDMA Base Stations using Imperfect Signal Cancellation[J ] . Microwave Journal ,2003 ,46 (4) :22244. [10 ] Yang Y , Kim Y , Yi J . Digital Controlled Adaptive Feedfor2 ward Amplifier for IM T22000 Band. IEEE M TT2S Digest ,2000. [11 ] 严福兴. 射频功率放大器前馈线性化技术研究 [J ] . 现代电 子技术 ,2007 ,30 (4) :628. 作者简介 　张 　瑞 　男 ,1977 年出生 ,工程师。1999 年毕业于安徽大学电子工程专业 ,主要从事微波射频电路设计等。 张永慧 　男 ,1977 年出生 ,工程师。2001 年毕业于合肥工业大学电子工程专业 ,主要从事微波射频电路设计等。 (上接第 175 页) 　　(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) :3502352. [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) :85289. [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) :1022104. [7 ] 杨一军 , 王欣. Matlab 在负反馈放大电路分析中的应用 [J ] . 现代电子技术 ,2008 ,31 (13) :1442146. . 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。 871 电 子 技 术 张 　瑞等 :前馈仿真设计