《电力电子电路的计算机仿真》

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1、电力电子电路的计算机仿真综合训练报告班级电气8班姓名学号 09230838专业电气工程及其自动化指导教师陈伟2012年秋季学期摘要电力电子交流技术是利用电力电子器件及相关电路进行电能变换的一门科 学技术，既包括电压，电流的交换，也包括频率与相熟的交换。而电力电子器件 又是电力电子交流技术的核心，也是自动化和电气工程专业的基础知识，具有重 要的作用。本文在对升压、降压变换器电路理论分析的基础上，建立了基于 Simulink的升压变换器和降压变换器的仿真模型，设计了 DC-DC变换电路，实现 了升压，降压及cuk电路功能。设计中选用MOSFET型开关器件对升压、降压及CUK 电路进行控制，并对不同

2、工作情况进行仿真分析与研究。通过仿真分析也验证了 本文所建模型的正确性。关键词:电力电子降压变换升压变换CUK变换MATLAB Simulink仿真第一章绪论11.1设计目的11.2设计意义11.3设计要求1第二章仿真软件及开关器件简介22.1 MATLAB 简介22.2 Simulink 简介22.3 MOSFET开关器件简介2第三章DC-DC变换器的设计原理43.1降压斩波电路(Buck Chopper)工作原理43.2升压斩波电路(Boost Chopper)工作原理53.3 cuk直流斩波电路工作原理6第四章计算机仿真84.1降压变换器设计84.2升压变换器设计124.3 cuk变换器

3、设计17第五章总结20心得体会21参考资料22第_章绪论1.1设计目的：1、理解升压、降压变换及cuk电路电路图，并对电路中的元器件的作用有深 刻的认识。2、在对升压、降压变换及cuk电路理论分析的基础上，建立基于Simulink 的升压、降变换及cuk电路的仿真模型3、选用MOSFET型开关器件对升压、降压进行控制，并对不同工作情况进行 仿真分析与研究。4、在实际操作中，验证所设计仿真模型的正确性。1.2设计意义：直流斩波就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，也称DC/DC变换。 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。升压、降压变换

4、电路即升压与降压斩波电路，主要应用于 已具有直流电源需要调节直流电压的场合。1.3设计要求：1、设计一降压变换器，输入电压为200V，输出电压可调，负载电阻为20欧 姆，开关器件选用MOSFET。2、设计一升压变换器，输入电压为3-6V，输出电压15V，负载电阻为10欧姆， 开关器件选用MOSFET,要求电流连续。3、设计一 Cuk变换器，输入20V，输出范围为530V。4、完成上述DC-DC变换电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压/电 流波形、系统输入电压/电流波形及电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时 系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。第二章仿真软件及开关器件简介2.

5、1 MATLAB 简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司 出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高 级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，1999年 春MATLAB 5.3版问世，使MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的 面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和 数据分析资源、更多的 应用开发工具。特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分 析集成环境的出现，使人

6、们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因 素、随机因素，从而即使学生 没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础， 仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。它的优点主要有：（1）友好的工作平台和编程环境（2）简单易用的程序语言（3）强大的科学计算机数据处理能力（4）出色的图形处理功能（5）应用广泛的模块集合工具箱（6）实用的程序接口和发布平台（7）应用软件开发（包括用户界面）2.2 Simulink 简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综 合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的 鼠标操作，就可构造出复杂的系统

7、。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰 及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被 广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软 件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。2.3 MOSFET开关器件简介MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effection Transistor） 金属氧 化物场效应晶体管。FET与BJT的最大区别在于他们的电荷载体不同，BJT的载荷是空穴或是被击 出的分子（共价键断裂导致），而FET载荷则是自由电子，其数目多了几个数量 级。MOSFET同三极管

8、应用上的差别在于：1. MOSFET管是压控器件，而三极管是电流控制器件。2. MOSFET的三种状态夹断区，恒流区，可变电阻区，一般我们运用夹断区和 恒流区来作为开关控制，而三极管有三种工作状态，截止态，放大态和饱和态， 三极管在截止态和饱和态切换是可以做开关的。MOS管处于哪种状态由Ugs决定 而三极管处于哪种状态由Ib决定。3. 场效应管是利用改变电场来控制半导体材料的导电特性，不是像三极管那样 用电流控制PN结的电流。因此，场效应管可以工作在极高的频率和较大的功率。由衬底的材料不同，MOS管分为NMOS和PMOS。增强型NMOS导通条件：Ug-UsUtUt为开启电压耗尽型NMOS导通条

9、件：Ug-Us-UpUp为夹断电压第三章DC-DC变换器的设计原理3.1降压斩波电路（Buck Chopper）工作原理降压斩波电路图如下图所示。图3-1降压电路原理图设电路中电感L值很大，使电感电流i。基本为恒值。设计原理：（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u=E，负载电流io按指数曲线上升。（2）t=t时控制V关断，二极管VD续流，负载电压u近似为零，负载电流 呈指数曲线下1降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。（3）t=t时刻，再次驱动V导通，重复上述过程。数量关系:负载电压平均值：U0 t + tonoftV在一个周期内的导通时间ont -offV在一个周期

10、内的关断时间T斩波周期，T = ton+tff导通占空比负载电流平均值:3.2升压斩波电路(Boost Chopper)工作原理(1) 假设L和C值很大。R供电，输出电压Uo恒定。(2) V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载(3) V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。图3-3升压电路原理图*数量关系：设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI 1七设V断态的时间为y则此期间电感顷放能量为气-E）%.稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：EI t = （U - E）I t1 off01 off化简得:U = o + off E

11、= E0ttononT/off1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。3.3 Cuk直流斩波电路工作原理CUK斩波电路的原理图和等效图如下图3-5所示。电路的基本工作原理是： 当可控开关V处于通态时（图b中开关接B），EL V回路和负载RL2C V 回路分别流过电流。当V处于断态时（图b中开关接A），EL C D回路和负12载R-L2-D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反图3-5 Cuk斩波电路及其行将电路a）电路图b）等效电路稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其 对时间的积分为零，即jT i dt = jt,n, i dt + fT i dt = i t

12、一 i t = 00 C0 C （on ）t C（ off ）2 on 1 of（ton为V处于通态的时间，t为V处于断态的时间）由此可得：on =i tta假设电容C很大使电容电压u的脉动足够小。点电压u = u ；B点电压AuB的平均 又因电感0的电压A点的电压平均值.C当开关S合到B点时，B点电压u =0, A当S合到A点时，u = u ， u =0。因此，值为U = .U （ U为电容电压u的平均值）， B t CCC平均值为零，所以E = U = toU。另一方面，on为u广-Lu ，且气的电压平均值为零，按上图（b）中输出电压 U的极性，有U =yU。于是可得出输出电压与电源电压E

13、 的关系为：t j Ttid t = 0aU = * E = o oCE =EononCuk斩波电路可以认为是升-降压斩波电路的改进电路，如图3-5。PULSE200VMosfetgr sDiodeuoL=1000C=1-ioR=20IinID第四章计算机仿真4.1降压变换器仿真设计要求：设计一降压变换器，输入电压为200V，输出电压可调，负载电 阻为20欧姆，开关器件选用MOSFET。根据上述要求完成主电路设计。熟悉MATLAB仿真工具的各种功能运用：熟悉了仿真软件之后，结合软件将 降压变换电路图转换成为能够在MATLAB环境下仿真的模型。(1) MATLAB仿真模型在MATLAB中的Sim

14、ulink下画出仿真模型：画出模型如下图所示。scopePulseGeneratorlloutUout图4-1降压变换器仿真电路降压变换器电路，假定开关器件Mosfet是理想元件，输入电压Ud是理想恒 压源。当Mosfet导通时，Ud通过电感L向负载传递能量。此时，iL增加，电感 储能增加；当Mosfet关断时，由于电感电流不能突变，故iL通过二极管VD续 流，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，电感上储能减小。由于VD的单 向导电性，iL不可能为负，即总有iLN0，从而可在负载上获得单极性的输出电 压。二极管VD导通期间，其导通压降可以近似为0。(2) 参数设置*电路参数设置：由Mosf

15、et构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参 数设置：(1) 电压源参数取U=200V。(2) Mosfet按默认参数设置。(3) 二极管Rs=4Q，其他按默认参数设置。(4) 负载参数取R=20。(5) 电感参数L=1000H,电容参数设置为1F。(6) 打开仿真参数窗口，选择ode15s(stiff/NDF)算法，相对误差设置为 1e-06，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为200s；(7) 控制脉冲周期设置为20s，控制脉冲占空比分别设为20%、40%、 60%、 80%。控制脉冲参数设置：Mosfet参数设置：图4-4仿真算法设置二极管参数设置:Block Parameters: IDiodDio