1、电力电子系统综合训练任务书（第 6 组）2014 年秋季学期学 生 姓 名 学 号专 业 方 向 班 级题 目 名 称 Boost 变换器的设计与计算机仿真一、综合训练计内容及技术要求1 MATLAB 部分（1）熟悉 Matlab 使用环境。（2）初步掌握 Matlab 的基本应用，包括数据结构、数值运算、程序设计以及绘图等。（3）熟悉 Simulink 系统仿真环境，包括 Simulink 工作环境、基本操作、仿真模型、仿真模型的子系统、重要模块库等。（4）初步掌握 Simpowersystems 模型库及其应用。（5）能够使用 Simpowersystems 模型库进行电力电子电路的仿真分
2、析。2设计部分设计一个升压变换器，输入电压为 3-6V，输出电压 15V，负载电阻为 10 欧姆，要求电流连续。根据上述要求完成主电路设计。3仿真部分完成上述升压变换器的计算机仿真，观察输出电压电流波形、系统输入电流波形、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。4. 选作：使用 PSIM 仿真软件完成上述仿真二、综合训练总结报告须提交的成果：（1）综合训练总结报告（不少于 20 页，约 1 万字左右）需包括：1)前言。2)目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计详细过程与图纸。5)仿真模型的建立、各模块参数的设置。6)仿真结果分析。7)总结。
3、8)参考文献。9)体会。（2）综合训练总结报告要求采用 A4 页面打印，小四宋体，单倍行距，采用 word 默认的页边距，仿真模型、模块参数设置、仿真结果等都要在总结报告中进行详细说明。三、参考资料：1王兆安等。电力电子技术（M）。北京：机械工业出版社，2001。2李传琦。电力电子技术计算机仿真实验（M）。北京：机械工业出版社，2006。3MATLAB 入门以及应用类手册（图书馆去借）。4复印的资料。 指导教师签字：郭群摘要BOOST 电路又称为升压斩波电路，它在各类电力电子电路中的应用十分广泛，它将低压直流电变为高压直流电，为负载提供了稳定的直流电压。升压斩波电路的 PI 和PID 调节器的
4、性能对输出的电压影响很大。由于这种斩波电路工作于开关模式下，是一个强非线形系统。采用 matlab 仿真分析方法, 可直观、详细的描述 BOOST 电路由启动到达稳态的工作过程, 并对其中各种现象进行细致深入的分析, 便于我们真正掌握BOOST 电路的工作特性。【关键词】：Boost 电路； 直流电压； matlab 仿真；目录摘要 11概论 11.1电力电子器件 11.1.1电力电子器件概述 11.1.2 直流-直流变换器（DC/DC）的应用 21.2 MATLAB软件概述 .31.2.1 MATLAB介绍 .31.2.2 SIMULINK仿真基础 .61.2.3 MATLAB的 GUI程序
5、设计 .82升压式直流斩波电路 .112.1电路的结构与工作原理 .112.1.1电路结构 .112.1.2 工作原理 .112.1.3基本数量关系 .122.2升压斩波电路的典型应用 .123模型仿真 .163.1建立升压斩波电路模型 .163.2模型参数设置 .16总结 .22致谢 .23参考文献 .241概论1.1电力电子器件1.1.1电力电子器件概述1957 年可控硅(晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。20 世纪 60 年代初已开始使用电力电子这个名词，进入 70 年代晶闸管开始派生各
6、种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管（Power-IGBT）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入 90 年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子器件专指电力半导体器件，在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电
7、路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路的中电力电子器件的导通与关断，来完成整个系统的功能。电力电子器件因为处理的电功率较大，为了减小本身的损耗，提高效率， 电力电子器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近于短路，管压降接近于 0，而电流由外电路决定，阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为 0，而管子两端的电压由外电路参数决定，就想普通晶体管的饱和与截止一样。尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身功率损耗通常远大于信息电子器件，因而，为了保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般还需要安装散热器
8、。这是因为电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不是理想的短路或者断路。导通时器件上有一定的通态压降，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过。尽管其数值都很小，但分别与数值较大的通态电流与断态电压相互作用，就形成了电力电子器件的通态损耗和断态损耗。本文主要利用 IGBT 型开关器件对升压降压进行控制，电力 IGBT 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点就是驱动简单，需要的驱动功率小，第二个显著特点就是开关速度快，工作评频率高，另外，电力 IGBT 的热稳定性优于 GTR。1.1.2 直流-直流变换器（DC/DC）的应用直流-直流变换器（ DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算
9、机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC 可分为 750W 以上、750W 1W 和 1W 以下 3 大类。进入20 世纪 90 年代，DC/DC 变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W25WDC/DC 变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以 251W750W 的 DC/DC 变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通
10、信及发送设备，DC/DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC/DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压, 这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能, 并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20 30的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC/DC 变换器现已商品化 ,模块采用高频 PWM 技术, 开关频率在 500kHz 左右,功率密度为 0.31W/cm31.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化
11、, 因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源, 而将 DC/DC 变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为 48V 的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中, 传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器 SMR)通过 IGBT 或 IGBT 实现高频工作,开关频率一般控制在
12、50kHz100kHz 范围内, 实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从 48V/12.5A、48V/20A 扩大到48V/200A、48V/400A。因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多, 其电源电压也各不相同, 在电子供电系统中，采用高功率密度的高频 DC/DC 隔离电源模块,从中间母线电压( 一般为 48V 直流) 变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护 ,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。1.2 MATLAB软件概述1.2.1 MATLAB
13、介绍Matlab(Matrix Laboratory)是美国 MathWorks 公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。MATLAB 将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB 已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的高校，MATLAB 已成为线性代数、自动控制理论、
14、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB 被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，MATLAB 也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从 MATLAB 中找到合适的功能。MATLAB 的主要组成部分MATLAB 系统由 5 个主要的部分构成：(1) 开发环境(Development Environment)：微 MATLAB 用户或程序编制员提供的一套应用工具和设施。由一组图形化用户接口工具和组件集成：包括 MATLAB 桌面
15、、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器。(2) MATLAB 数学函数库(Math Function Library)：数学和分析功能在 MATLAB 工具箱中被组织成 8 个文件夹。 elmat 初步矩阵，和矩阵操作。elfun 初步的数学函数，求和、正弦、余弦和复数运算等；specfun 特殊的数学函数，矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等；matfun 矩阵函数用数字表示的线性代数； atafun 数据分析和傅立叶变换； polyfun 插值，多项式； funfun 功能函数； sparfun 稀疏矩阵； (3) MATLAB 语言：(MATLA
16、B Language)一种高级编程语言（高阶的矩阵/数组语言），包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；(4) 句柄图形：(Handle Graphics) MATLAB 制图系统具有 2 维、三维的数据可视化，图象处理，动画片制作和表示图形功能。可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制。允许你建造完整的图形用户界面（GUI），以及建立完整的图形界面的应用程序。制图法功能在 MATLAB 工具箱中被组织成 5 个文件夹：二维数图表（graph2d）、三维图表（graph3d）专业化图表（specgraph）、制图法（graphics）、图形用户界面工具（uitools）。(
17、5) 应用程序接口：(Applied Function Interface)MATLAB 的应用程序接口允许用户使用 C 或 FORTRAN 语言编写程序与 MATLAB 连接。MATLAB 的系统开发环境 (System Developing Environment)1操作桌面(Operating Desktop)（1）桌面布局：6 个窗口命令窗口（Commend Window）、工作空间窗口（Workspace）、当前目录浏览器（Current Directory ）、命令历史窗口（ Commend History ）、启动平台 （Launch Pad）、帮助窗口（Help）、M 文件优化
18、器（Profiler）。（2）菜单和工具栏；(Menu and toolbar) 操作桌面上有 6 个菜单和带有 9 个快捷按钮的工具栏组。（3）改变桌面设置：(Setting) File 菜单中 Preference 对话框中设置。2命令窗口：(Command window)MATLAB 的主要交互窗口。用于输入 MATLAB 命令、函数、数组、表达式等信息，并显示图形以外的所有计算结果。还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符串，然后用键调出该命令行。3工作空间窗口：(Workspace Window)用于储存各种变量和结果的空间，显示变量的名称、大小、字节数及数据类型，对变量进
19、行观察、编辑、保存和删除。临时变量不占空间。为了对变量的内容进行观察、编辑与修改，可以用三种方法打开内存数组编辑器。双击变量名；选择该窗口工具栏上的打开图标；鼠标指向变量名，点击鼠标右键，弹出选择菜单，然后选项操作。欲查看工作空间的情况，可以在命令窗口键入命令 whos（显示存在工作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息）或命令 who（只显示变量名）。4当前目录浏览器：(Current Directory)用于显示及设置当前工作目录，同时显示当前工作目录下的文件名、文件类型及目录的修改时间等信息。只有在当前目录或搜索路径下的文件及函数可以被运行或调用。设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输
20、入栏中直接输入，或点击浏览器下拉按钮进行选择。还可用 cd 命令在命令窗口设置当前目录，如：cd c:mydir 可将 c 盘上的 mydir 目录设为当前工作目录。5命令历史窗口：(Command History)记录已运行过的 MATLAB 命令历史，包括已运行过的命令、函数、表达式等信息，可进行命令历史的查找、检查等工作，也可以在该窗口中进行命令复制与重运行。6启动平台：(Launch Pad)帮助用户方便地打开和调用 MATLAB 的各种程序、函数和帮助文件。平台列出了系统中安装的所有的 MATLAB 产品的目录，可以通过双击来启动相应的选项。7MATLAB 的搜索路径：(Search
21、ing Path)MATLAB 定义的一系列文件路径的组合，缺省状态下包括当前路径和已安装的全部工具箱的路径。搜索目录的设置通过选择主菜单 Set Path 菜单项进行。用 Add Folder按钮可以将某一目录加入搜索路径，选择 Add with Subfolder按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。8内存数组编辑器：(Array Editor)提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能，对其他数据类型都不能编辑。通过工作空间窗口打开所选的变量时，该编辑器启动。1.2.2 SIMULINK仿真基础SIMULINK 是 MATLAB 软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包
22、，它与 MATLAB 语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。1所谓模型化图形输入是指 SIMULINK 提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl 文件进行存取），进而进行仿真与分析。2Simulink 可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。模型创建完成后，
23、可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到 MATLAB 中以完成进一步的分析。Simulink 可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。SIMULINK 启动在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink，结果是在桌面上出现一个称为 Simulink Library Browser 的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。也可以通过 MATLAB 主窗口的快捷按钮来打开 Simulin
24、k Library Browser 窗口。SIMULINK 的模块库介绍整个 Simulink 模块库是由各个模块组构成，标准的 Simulink 模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整
25、个模型库浏览器下。电力系统模块库的介绍进入 MATLAB 系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的 Power System Blocks 即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors)，电源库(Electrical Sources)，基本元件库(Elements)，元件库(Extra Library)，电机元件库(Machines)，测量元件库(Measurements)和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。（1）电路元件模型
26、 该部分包括断路器（Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联 RLC 负荷(Parallel RLC Load)，II 型线路参数(II Section Line)、饱和变压器(Saturable Transformer)、串联 RLC 支路（Series RLC Branch)、串联 RLC 负荷(Series RLC load)、过电压自动装置（Surge Arrester)。这部分可以仿真交流输电线装置。 （2）电力电子设备模型此部分含有二极管（Diode)、GT0、理想开关(Ideal
27、Switch)、MOS 管(IGBT)、可控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。（3）电机设备模型此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous
28、 Machine)。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备，电力拖动设备等。 （4）接线设备模型 这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输电线母线等。（5）测量设备模型该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一部分还起着连接 SIMULINK 模型与 POWERLIB 模型的作用。 （6）Powerlib 扩展库扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根据自己的电力系统结构图使用 POWERLIB 和 SLMULINK 中相应的模型来组成仿真的电路模型。1.2.3 MATLAB 的 GUI 程序设计GUI(Graphical User Int
29、erfaces):由各种图形对象组成的用户界面，在这种用户界面下，用户的命令和对程序的控制是通过“选择”各种图形对象来实现的。基本图形对象分为控件对象和用户界面菜单对象，简称控件和菜单。控件对象及属性1GUI 控件对象类型(The mode of controller object)控件对象是事件响应的图形界面对象。当某一事件发生时，应用程序会做出响应并执行某些预定的功能子程序（Callback）。2控件对象的描述(Description of controller object)MATLAB 中的控件大致可分为两种，一种为动作控件，鼠标点击这些控件时会产生相应的响应。一种为静态控件，是一种不
30、产生响应的控件，如文本框等。每种控件都有一些可以设置的参数，用于表现控件的外形、功能及效果，既属性。属性由两部分组成：属性名和属性值，它们必须是成对出现的。（1）按钮(Push Buttons)：执行某种预定的功能或操作。（2）开关按钮(Toggle Button)：产生一个动作并指示一个二进制状态（开或关），当鼠点击它时按钮将下陷，并执行 callback（回调函数）中指定的内容，再次点击，按钮复原，并再次执行 callback 中的内容。 （3）单选框(Radio Button)：单个的单选框用来在两种状态之间切换，多个单选框组成一个单选框组时，用户只能在一组状态中选择单一的状态，或称为单
31、选项。（4）复选框(Check Boxes)：单个的复选框用来在两种状态之间切换，多个复选框组成一个复选框组时，可使用户在一组状态中作组合式的选择，或称为多选项。（5）文本编辑器(Editable Texts)：用来使用键盘输入字符串的值，可以对编辑框中的内容进行编辑、删除和替换等操作。 （6）静态文本框(Static Texts)：仅仅用于显示单行的说明文字。（7）滚动条(Slider)： 可输入指定范围的数量值。（8）边框(Frames)：在图形窗口圈出一块区域。（9）列表框(List Boxes)：在其中定义一系列可供选择的字符串。（10）弹出式菜单(Popup Menus)： 让用户从
32、一列菜单项中选择一项作为参数输入。（11）坐标轴(Axes)： 用于显示图形和图象。3控件对象的属性(Attributes of controller object)用户可以在创建控件对象时，设定其属性值，未指定时将使用系统缺省值。两大类控件对象属性：第一类是所有控件对象都具有的公共属性，第二类是控件对象作为图形对象所具有的属性。GUI 开发环境(GUI Development Environment, GUIDE)MATLAB 提供了一套可视化的创建图形窗口的工具，使用用户界面开发环境可方便的创建 GUI 应用程序, 它可以根据用户设计的 GUI 布局，自动生成 M 文件的框架，用户使用这一
33、框架编制自己的应用程序。MATLAB 提供了一套可视化的创建图形用户接口（GUI）的工具，包括：1布局编辑器(LayoutEditor)-在图形窗口中加入及安排对象。布局编辑器是可以启动用户界面的控制面板，上述工具都必须从布局编辑器中访问，用 guide 命令可以启动，或在启动平台窗口中选择 GUIDE 来启动布局编辑器。2几何排列工具(Alignment Tool)-调整各对象相互之间的几何关系和位置。3属性编辑器(Property Inspector)-查询并设置属性值。4对象浏览器 Object Browser)-用于获得当前 MATLAB 图形用户界面程序中所有的全部对象信息，对象的类
34、型，同时显示控件的名称和标识，在控件上双击鼠标可以打开该控件的属性编辑器。5菜单编辑器(Menu Editor)-建立窗口菜单条的菜单和任何构成布局的弹出菜单。 在 MATLAB 中， GUI 的设计是以 M 文件的编程形式实现的，GUI 的布局代码存储在M 文件和 MAT 文件中，而在 MATLAB6 中有了很大的改变，MATLAB6 将 GUI 的布局代码存储在 FIG 文件中，同时还产生一个 M 文件用于存储调用函数，在 M 文件中不再包含 GUI的布局代码，在开发应用程序时代码量大大减少。GUI 程序设计(GUI Program design)包括图形界面的设计和功能设计两个方面。设计
35、一个简单的用户图形界面用于所设计的各种仿真电路的打开。1设计步骤：（1）在布局编辑器中布置控件。（2）使用几何位置排列工具对控件的位置进行调整。（3）设计控件的属性。（4）设置其他绘图属性。2设置控件的标识(Set the Tag of controller) 控件的标识(Tag)是对于各控件的识别,每个控件载创建时都会由开发环境自动产生一个标识,在程序设计中,为了编辑、记忆和维护的方便,一般为控件设置一个新的标识。3编写代码(Edit code)GUI 图形界面的功能,还是要通过一定的设计思路和计算方法,由特定的程序来实现。为了实现程序的功能，还需要在运行程序前编写一些代码，完成程序中变量的
36、赋值、输入输出、计算及绘图等工作。2升压式直流斩波电路2.1电路的结构与工作原理2.1.1 电路结构EULV DV TCRU 0+-+-i 0图 2.1 升压式直流斩波电路的电路原理图2.1.2 工作原理假设电路输出端的滤波电容器足够大，以保证输出电压恒定，电感 L 的值也很大。1）当控制开关 VT 导通时，电源 E 向串联在回路中的电感 L 充电储能，电感电压uL左证右负；而负载电压 u0上正下负，此时在 R 于 L 之间的续流二极管 VD 被反偏，VD 截止。由于电感 L 的横流作用，此充电电流基本为恒定值 I1.另外，VD 截止时 C 向负载 R 放电，由于正常工作 C 已经被充电，且
37、C 容量很大，所以负载电压基本保持为一恒定值，记为 u0。假设 VT 的导通时间为 ton，则此阶段电感 L 上的储能可以表示为EI1ton2)在控制开关 VT 关断时，储能电感 L 两端电势极性变成左负右正，续流二极管VD 转为正偏，储能电感 L 与电源 E 叠加共同向电容 C 充电，向负载 R 提供能量。如果VT 的关断时间为 toff，则此段时间内电感 L 释放的能量可以表示为（ U0-E）I1 toff。2.1.3 基本数量关系a.一个周期内灯光 L 储存的能量与释放的能量相等：即b.输出电流平均值2.2升压斩波电路的典型应用升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，而是用于
38、单向功率因数校正电路（Power Factor CorrectionPFC），三是用于其他交流电源中。当升压斩波电路用于直流电动机传动时，通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源。图 2.2 用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图实际 L 值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态电机反电动势相当于图 2.1 中的电源，此时直流电源相当于图 2.1 中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。电路分析基于“分段线性”的思想进行解析：V 处于通态时，设电动机电枢电流为 i1，得下式mERitiL11d11()onofEItUItEtTtofofRI1
39、o式中 R 为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设 i1 的初值为 I10，解上式得： tmt eEeIi 110当 V 处于断态时，设电动机电枢电流为 i2，得下式： ERitiLm22d设 i2 的初值为 I20，解上式得： tmt eReIi 120用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：图 2.3 电流连续升压斩波电路波形图 2.4 电流断续升压斩波电路波形当电流连续时，从图 2.4 的电流波形可看出，t=ton 时刻 i1=I20，t=toff 时刻i2=I10，由此可得： REemREeREITtmof 1110 REeREeREITtmon 1120把上面两式用泰勒级数线性近似，
40、得 REI201该式表示了 L 为无穷大时电枢电流的平均值 Io，即：REmImo 对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为： e1根据此式可对电路的工作状态作出判断。3模型仿真3.1建立升压斩波电路模型设计要求：设计一升压变换器，输入电压为 3-6V，负载电阻为 10 欧姆，开关器件选用 IGBT，要求电流连续，根据上述要求完成主电路设计。 根据升压变换器的设计原理，建立升压变换器的仿真模型：(1)首先建立一个仿真的新文件，命名为 untitled。(2)提取电路与器件模块，组成电路的主要元件有直流电源，电力电子开关管IGBT、续流二极管，滤波电容、负载电阻和电感，脉冲波发生器
41、等。模型建立如下图所示：图 3.1 升压式直流斩波电路的 MATLAB 仿真模型3.2模型参数设置a 电源参数，电压 6vb.同步脉冲信号发生器参数 振幅 1V，周期 0.001，占空比 20%c.负载电阻参数d.电容参数设置e.二极管参数设置f.电感参数GIGBT 参数f.示波器参数示波器五个通道信号依次是：电源电流、负载电流、IGBT 电流电压、负载电压、电源电压。3.3 仿真结果与分析a. 占空比 =20，MATLAB 仿真波形如下：图 3.2 =20 升压式直流斩波电路b. 占空比 =50，MATLAB 仿真波形如下：图 3.3 =50 升压式直流斩波电路c. 占空比 =80，MATL
42、AB 仿真波形如下：图 3.4 =80 升压式直流斩波电路总结本文在对升压变换电路理论分析的基础上，利用 MATLAB 面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于 Simulink 的升压变换电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。在对升压变换器电路电压升时的工作情况进行仿真分析的基础上，验证了当脉冲发生器导通比 处在不同的数值时，将影响输出电压。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。通过仿真和分析，可知升压变换器电路的输出电压受导通比 的影响，文中应用MATLAB 的可视化仿真工具 simulink 对升压变换器电路的仿真结果进行了分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输
43、出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用 MATLABSimulink 对升压变换器电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用 MATLABSimulink 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。应用 MATLAB 对变换器电路仿真研究时，可以通过判断设置出不同导通比时产生的波形现象，为分析合适的输出电压提供了较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。电力电子变流技术是利用电力电子器件及其相关电路进行电能变换的科学
44、技术，电压、电流的变换包含其中。而电力电子器件又是电力电子变流技术的核心，也是自动化和电气工程专业的基础知识，具有重要的作用。而在电压、电流的变换电路中，包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。MATLAB 提供的可视化仿真工具 Simulink 可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用 Simulink 对升压，降压变换电路进行建模，在不同导通比的情况下进行了仿真分析，既进一步加深了升压，降压变换电路的理论，同时也为更好的掌握现代电力电子技术奠定良好的实验基
45、础。致谢在论文完成之际，我首先向帮助和指导我的郭群老师表示衷心的感谢！在完成论文期间，郭老师悉心指导帮助我解决在课程设计过程中遇到的困惑和难题。正是在郭老师尽心尽职的帮助下我才得以顺利的完成本次课程设计。郭老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和敏捷的思维给我留下了深刻的印象。再一次向她表示衷心的感谢！同时还要感谢本次课程设计中给我帮助的同学们，我能够顺利的完成本次课程设计是离不开他们的帮助的。衷心感谢各位老师的支持和同学的帮助。参考文献1 王兆安等. 电力电子技术M. 机械工业出版社 , 2001.2洪乃刚等.电力电子和电力控制系统的 MATLAB 仿真M. 机械工业出社，200
46、6.3赵良炳.现代电力电子技术基础 M.清华大学出版社，1995.4陈伯时等.电力拖动自动控制系统 M.机械工业出版社，1992.5张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.电子工业出版社， 1998.6 侯振义，夏峥，柏雪倩. 直流开关电源技术及应用M. 电子工业出版社，2006.7 李颖，张威. Simulink 动态系统建模 M.西安电子科技大学出版社， 2004.8 王中鲜等. MATLAB 建模与仿真应用M. 机械工业出版社，2010.9 蔡旭晖, 刘卫国, 蔡立燕. MATLAB 基础与应用教程M. 人民邮电出版社,2009.10 张德丰等. MATLAB/Simulink 建模与仿真M. 电子工业出版社，2009.11 李传琦 . 电力电子技术计算机仿真实验M.机械工业出社，2006.
