电力电子升降压变换器课程设计

1 绪论

《电力电子技术》课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

《电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。

斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器( DC/DC Converter)。直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了电路的仿真模型，在此基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了较详细的仿真分析。

本文分析了升降压斩波电路的工作原理，又用Matlab对升压-降压变换器进行了仿真建模，最后对仿真结果进行了分析总结。

2 升降压斩波电路的设计

2.1升降压斩波电路工作原理

（1）V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C 维持输出电压恒定并向负载R供电。

（2）V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

a) 原理图

b) 波形图

图（3）升压/降压斩波电路的原理图及波形图

数量关系：

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即：

00=?

t T L d u 当V 处于通态时，E u L =；当V 处于断态时，o L u u -=；于是：

off

on t U Et 0= 所以输出电压为： E E t T t E t t U on on off on α

α-=-==10 由此可见，改变导通占空比α，就能够控制斩波电路输出电压U 。的大小。当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，故称作升降压斩波电路。

图（3）b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：

off

on t t I I =21 由上式可得：

1121I I t t I on off

αα-== 如果V 、VD 为没有损耗的理想开关时，则：21I U EI o =

其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。

2.2根据升降压斩波电路原理图

如图（3），建立升压-降压式变换器仿真模型，如图（4）所示：

2.3 的建模和参数设置：

2.3 的建模和参数设置：

3. 设计结果及分析

1、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的33.3%，

2、仿真结果如图（5）所示：

图（5）控制脉冲占空比33.3%

从图5可以看出，负载上平均电压为10 V ，波形为有少许波纹的直流电压； 理论计算：V E E U 1010==-=α

α，Uo 与E 极性相反； 仿真结果与升降压斩波理论分析吻合。

3、脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的66.6%，

4、仿真结果如图（6）所示：

图（6）控制脉冲占空比66.6%

从图6可以看出，负载上平均电压为40 V，波形为有少许波纹的直流电压；

解输出10v时的占空比Dc=1／3

则

Lc=R／2(1-Dc)2Ts=10／2×（2/3）2 ×1/20000=104uH

C=V0DCTS/R△U0=1/10×0.2 ×3×20000=886uF

输入40v时的占空比为Dc=2/3

则

Lc= R／2(1-Dc)2Ts=10／2×（1/3）2 ×1/2000=10.4uH

C=V0DCTS/R△U0=1/10×0.2 ×3×20000=886uF

4总结

通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：

(1)直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，使用直

流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因数的目的。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。

(2)升降压斩波电路（Boost- Buck Chopper）能够方便的调节输出电压，

由于输出电压为：

E

E

t

T

t

E

t

t

U

on

on

off

on

α

α

-

=

-

=

=

1

0；若改变导通比α，

则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低，当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，轻松实现直流变换中的升压和降压作用，工业生产应用广泛。

(3)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。

(4)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方针，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。

(5)应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参

数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况，方便学习与研究。

5 体会

本次设计中我查阅了相关书籍、资料，首先对直流斩波电路有了大致的掌握，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。

进一步复习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。

通过使用Matlab的可视化仿真工具Simulink对升降压斩波Boost—Buck 电路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真库里的原器件，增强了画图能力，使用SCOPES（示波器），可以在运行方针时简明地观察到仿真结果，还可将多个结果放在一起以便对比，使我体会到了Matlab的可视化仿真工具Simulink的功能的齐全及使用的便捷。同时在仿真建模的基础上对升降压斩波Boost—Buck电路进行了详细的仿真分析，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较，提高了我设计建模的能力、分析总结能力及加强了对Matlab/Simulink软件的熟练程度。

总之，通过这次基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真的设计，我无论在理论分析上还是在建模仿真上都是受益颇多，体会到了Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的应用价值，同时它也是能让我们将理论与实践相结合、将所学知识系统化联系在一起的很好的工具，经过仿真能使所学的概念理解的更清晰、知识掌握的更牢固。

参考文献

[1] 王兆安、黄俊．电力电子技术．机械工业出版社，2009．6

[2] 王忠礼、段慧达、高玉峰．MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用．清华大学出版社，2007．1

[3] 王辉、程坦．直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究．现代电子技术，2009．5：174-175