電力電子仿真

1、電力電子電路的計算機仿真綜合訓(xùn)練報告 學(xué) 院： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 摘 要 直流-直流變流電路（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括，直接直流變流電路和間接直流變流電路，直接直流變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電流變換成另一種固定的電壓或可調(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪环N直流電，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié) ，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出之間的隔離，因此也成為帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。 本文在對升壓、降壓變換器電路理論分析

2、的基礎(chǔ)上，選用MOSFET型開關(guān)器件對升壓、降壓進行控制，并基于Simulink仿真系統(tǒng)對所設(shè)計的升壓變換器和降壓變換器進行仿真，最終完成了設(shè)計所要求的升壓、降壓功能的各項參數(shù)。關(guān)鍵詞：降壓斬波電路、升壓斬波電路、Cuk變換器第一章 緒 論11.1 電力電子器件概述11.2 直流-直流變換器（DC/DC）的應(yīng)用21.3 本設(shè)計選題的目的要求及意義3第二章 DC-DC變換器的設(shè)計原理42.1 降壓斬波電路（Buck Chopper)工作原理42.2 升壓斬波電路（Boost Chopper）工作原理5第三章 計算機仿真83.1 降壓斬波電路仿真83.2 升壓斬波電路仿真143.3 Cuk斬波電路

3、仿真17第四章 總 結(jié)20心 得 體 會21 第一章 緒 論1.1 電力電子器件概述 1957年可控硅(晶閘管)的問世，為半導(dǎo)體器件應(yīng)用于強電領(lǐng)域的自動控制邁出了重要的一步，電力電子開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。20世紀(jì)60年代初已開始使用電力電子這個名詞，進入70年代晶閘管開始派生各種系列產(chǎn)品，普通晶閘管由于其不能自關(guān)斷的特點，屬于半控型器件，被稱作第一代電力電子器件。隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極性晶體管(IGBT)和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展，被稱作第二代電力電子器件。80年

4、代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型第三代電力電子器件異軍突起，而進入90年代電力電子器件開始朝著智能化、功率集成化發(fā)展，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。 電力電子器件專指電力半導(dǎo)體器件，在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路、和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路的中電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。 電力電子器件因為處理的電功率較大，為了減小本身的損耗，提高效率， 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于0，而電流由外電路決

5、定，阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為0，而管子兩端的電壓由外電路參數(shù)決定，就想普通晶體管的飽和與截止一樣。盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是電力電子器件自身功率損耗通常遠大于信息電子器件，因而，為了保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上比較講究散熱設(shè)計，而且在其工作時一般還需要安裝散熱器。這是因為電力電子器件在導(dǎo)通或者阻斷狀態(tài)下，并不是理想的短路或者斷路。導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過。盡管其數(shù)值都很小，但分別與數(shù)值較大的通態(tài)電流與斷態(tài)電壓相互作用，就形成了電力電子器件的通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗。 本文主要利用mosfet型開關(guān)器件對升壓降壓

6、進行控制，電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點就是驅(qū)動簡單，需要的驅(qū)動功率小，第二個顯著特點就是開關(guān)速度快，工作評頻率高，另外，電力MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。1.2 直流-直流變換器（DC/DC）的應(yīng)用 直流-直流變換器（DC/DC）變換器廣泛應(yīng)用于遠程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W1W和1W以下3大類。進入20世紀(jì)90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內(nèi)的增長率大幅度提高，其中6W25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因為它們大

7、量用于直流測量和測試設(shè)備、計算機顯示系統(tǒng)、計算機和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢，所以251W750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實驗設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，DC/DC變換器在遠程和數(shù)字通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。    DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約

8、2030的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。    DC/DC變換器現(xiàn)已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm31.22W/cm3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。    電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備

9、供電系統(tǒng)的主流。在電子設(shè)備領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前，在電子設(shè)備中用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實現(xiàn)高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50kHz100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。    因為電子設(shè)備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓

10、也各不相同,在電子供電系統(tǒng)中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護,且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設(shè)備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。1.3 本設(shè)計選題的目的要求及意義（一）、選題目的1、理解升壓、降壓變換電路電路圖，并對電路中的元器件的作用有深刻的認(rèn)識。2、在對升壓、降壓變換電路理論分析的基礎(chǔ)上，建立基于Simulink的升壓、降變換電路的仿真模型3、選用MOSFET型開關(guān)器件對升壓、降壓進行控制，并對不同工作情況進行仿真分析與研究

11、。4、在實際操作中，驗證所設(shè)計仿真模型的正確性。（二）、設(shè)計要求1、設(shè)計一降壓變換器，輸入電壓為200V，輸出電壓可調(diào)，負(fù)載電阻為20歐姆，開關(guān)器件選用MOSFET。2、設(shè)計一升壓變換器，輸入電壓為3-6V，輸出電壓15V，負(fù)載電阻為10歐姆，開關(guān)器件MOSFET，要求電流連續(xù)。3、設(shè)計一Cuk變壓器，輸入20V，輸出范圍58V。（三）、設(shè)計意義直流斬波就是將直流電壓變換成固定的或可調(diào)的直流電壓，也稱DC/DC變換。使用直流斬波技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)調(diào)壓的功能，而且還可以達到改善網(wǎng)側(cè)諧波和提高功率因數(shù)的目的。升壓、降壓變換電路即升壓與降壓斬波電路，主要應(yīng)用于已具有直流電源需要調(diào)節(jié)直流電壓的場合。第

12、二章 DC-DC變換器的設(shè)計原理2.1 降壓斬波電路（Buck Chopper)工作原理降壓斬波電路圖如下圖所示。圖2-1 降壓斬波電路原理圖該電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，本設(shè)計使用是是絕緣柵型電力場效應(yīng)管MOSFET。設(shè)電路中電感L值很大，使電感電流i0基本為恒值。設(shè)計原理：（1）t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。（2）t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。（3）t=t2時刻，再次驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。 圖2-2 降壓

13、斬波電路波形圖 數(shù)量關(guān)系：負(fù)載電壓平均值： tonV在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間 toffV在一個周期內(nèi)的關(guān)斷時間T斬波周期，Ttont0ff導(dǎo)通占空比負(fù)載電流平均值： 2.2 升壓斬波電路（Boost Chopper）工作原理升壓斬波電路目前的典型應(yīng)用，一是用于直流電動機傳動，而是用于單向功率因數(shù)校正電路，三是用于其他交流電源中。當(dāng)升壓斬波電路用于直流電動機傳動時，通常是用于直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源。升壓斬波電路原理及波形圖如下：圖2-3 升壓斬波電路原理圖圖2-4 升壓斬波電路波形圖（1）假設(shè)L和C值很大。（2）V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，

14、輸出電壓Uo恒定。（3）V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。數(shù)量關(guān)系：設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為 設(shè)V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等： 化簡得： T/off>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。2.3 Cuk斬波電路Cuk斬波電路也稱Cuk變換器。美國加州理工學(xué)院Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。Cuk變

15、換器可看做是Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管開關(guān)管Q為PWM控制方式。Cuk變換器有CCM和DCM兩種工作方式，但不是指電感電流，而是指流過二極管的電流連續(xù)或斷續(xù)。在一個開關(guān)周期中開關(guān)管Q的截止時間（1-Dy）Ts內(nèi)，若二極管電流總是大于零，則為電流連續(xù)；若二極管電流在一段時間內(nèi)為零，則為電流斷續(xù)工作；若二極管電流在t=Ts時剛降為零，則為臨界連續(xù)工作方式。 Cuk變換器中有兩個電感，這兩個電感之間可以沒有耦合，也可以有耦合，耦合電感可進一步減少電流脈動量Cuk斬波電路的原理圖和等效圖如下 圖2.5 Cuk斬波電路及其行將電路a） 電路圖 b） 等效電路當(dāng)通態(tài)時回路和回路

16、有電流。當(dāng)處于斷態(tài)時， 回路和回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開關(guān)在A、B兩點之間交替切換。在該電路中，穩(wěn)態(tài)時電容的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對時間的積分為零，即處于通態(tài)的時間，則電容電流和時間的乘積為。處于斷態(tài)的時間則電容電流和時間的乘積為。由此可得： 從而可以得出：可以得出輸出電壓與電源電壓的關(guān)系為： 與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入輸出進行濾波。 第三章 計算機仿真3.1 降壓斬波電路仿真設(shè)計要求：設(shè)計一降壓變換器，輸入電壓為200V，輸出電壓可調(diào)，負(fù)載電阻為20歐姆

17、，開關(guān)器件選用MOSFET。根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計。熟悉MATLAB仿真工具的各種功能運用：熟悉了仿真軟件之后，結(jié)合軟件將降壓變換電路圖轉(zhuǎn)換成為能夠在MATLAB環(huán)境下仿真的模型。在MATLAB中的Simulink下畫出仿真模型：畫出模型如下圖所示。圖3.1 降壓斬波仿真電路電路參數(shù)設(shè)計：由Mosfet構(gòu)成直流降壓斬波電路(Buck Chopper)的建模和參數(shù)設(shè)置：(1) 電壓源參數(shù)取U=200V(2) Mosfet按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(3) 二極管按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4) 負(fù)載參數(shù)取R=20 。(5) 電感參數(shù)L=1000H.(6) 打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，相對誤差設(shè)置為1

18、e-03，開始仿真時間設(shè)置為0，停止仿真時間設(shè)置為300s；(7) 控制脈沖周期設(shè)置為1s,控制脈沖占空比分別設(shè)為20、40%、60%、80%。圖3.2 電源參數(shù)設(shè)置 圖3.3 MOSFET參數(shù)設(shè)置圖3.4 二極管參數(shù)設(shè)置圖3-5 控制信號參數(shù)設(shè)置(1)占空比20%時的輸出電壓：(2)占空比40%時的輸出電壓：(3)占空比60%時的輸出電壓：(4)占空比80%時的輸出電壓：根據(jù)負(fù)載電壓計算公式：可知，在占空比分別為20、40%、60%、80%是對應(yīng)的電壓輸出應(yīng)該該為40v,80v,120v,160v,符合理論計算結(jié)果。占空比20%時的輸出電流：電流連續(xù)時的二級管電流:電流連續(xù)時的輸入電流：結(jié)果

19、分析：輸入電流，在MOSFET導(dǎo)通期間，電源U通過電感L向負(fù)載傳遞能量，電感電流逐漸上升，直到MOSFET關(guān)斷為止。二極管電流，在MOSFET關(guān)斷期間，由于電感電流不能突變故iL通過二極管續(xù)流，電感上的能量逐步消耗在負(fù)載上，故電流逐漸減小。降壓變換器可以將輸入的電壓進行降壓變換然后輸出，變換器的輸出電壓可根據(jù)輸入電壓和負(fù)載阻抗進行調(diào)節(jié)。根據(jù)電感及負(fù)載電流的大小，可是電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)，也可工作在斷續(xù)狀態(tài)。由可知通過改變占空比即可控制輸出平均電壓UO 因為在01之間取值，所以輸出電壓UO的平均值總是小于或者等于輸入電壓。在占空比分別為20、40%、60%、80%是對應(yīng)的電壓輸出應(yīng)該為：40v

20、，80v，120v，160v符合理論計算結(jié)果。3.2 升壓斬波電路仿真設(shè)計要求：設(shè)計一升壓變換器，輸入電壓為3-6V，負(fù)載電阻為10歐姆，開關(guān)器件選用MOSFET，要求電流連續(xù)，根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計。 根據(jù)升壓變換器的設(shè)計原理，建立升壓變換器的仿真模型：圖3-6 升壓斬波電路仿真圖電路參數(shù)設(shè)計：由MOSFET構(gòu)成升壓斬波電路（Boost Chopper）工作原理的建模和參數(shù)設(shè)置：（1）電壓源參數(shù)取U=5V。（2）Mosfet按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。（3）二極管按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。（4）負(fù)載參數(shù)取R=10 。（5）電感參數(shù)L=2H。（6）電容參數(shù)C=6F。（7）打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法

21、，相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時間設(shè)置為0，停止仿真時間設(shè)置為0.2s；（8）控制脈沖周期設(shè)置為1s,控制脈沖占空比設(shè)為70.5%。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動仿真，得到如下仿真結(jié)果：升壓變換器的輸出電壓：脈沖波形： 電流連續(xù)時二極管電流：電流連續(xù)時輸入電流L=2HL=4H仿真結(jié)果分析：在保持其他參數(shù)，只改變電感值的情況下，如果電感太大，會使電感在Mosfet導(dǎo)通期間儲存的能量與關(guān)斷期間所釋放的能量相等的關(guān)系不能快速的建立起來，所以電感太大，需要更長的時間才能是輸出穩(wěn)定；但如果電感太小，在上電瞬間，會使電感上儲存的能量過大，不能及時釋放，使得輸出過高，出現(xiàn)超調(diào)。當(dāng)輸入電壓為6V，負(fù)載電阻為10歐

22、姆，開關(guān)器件選用MOSFET，開關(guān)頻率40kHz時，由上圖可知電流連續(xù)，并使得輸出電壓升為15V，實現(xiàn)了設(shè)計要求。3.3 Cuk斬波電路仿真圖3-7 cuk斬波電路仿真圖仿真電路參數(shù)設(shè)置：（1） 直流電源為20V（2） 脈沖發(fā)生器脈沖周期為0.1ms,（3） 電感L為500H，（4） 電容為1F，（5） 電阻為20，（6） IGBT和二極管參數(shù)保持默認(rèn)值。 當(dāng)把脈沖發(fā)生器的脈沖寬度設(shè)為60%時，因此該電路作降壓斬波電路，輸出電壓應(yīng)為100V,設(shè)置仿真時間為1000s,算法采用ode45s。啟動仿真，仿真波形如下圖所示:脈沖電壓：輸入電流：輸出電壓：輸出電流：通過Cuk斬波電路與升降壓斬波電路相

23、比較，我們不難發(fā)現(xiàn)輸出電壓的表達式都是相同的，只不過Cuk斬波電路的輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的而升壓斬波電路的輸入電源電流和負(fù)載電流都是斷續(xù)的，并且Cuk斬波電路的輸出電壓脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。 第四章 總 結(jié)本文在對升壓，降壓變換電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于Simulink的升壓，降壓變換電路的仿真模型，并對其進行了仿真研究。在對升壓，降壓變換器電路電壓或升或降時的工作情況進行仿真分析的基礎(chǔ)上，驗證了當(dāng)脈沖發(fā)生器導(dǎo)通比處在不同的數(shù)值時，將影響輸出電壓。在降壓變換電路中，隨著的減小，輸出電壓也隨之減小，并實現(xiàn)

24、降壓。通過仿真分析也驗證了本文所建模型的正確性。通過仿真和分析，可知升壓，降壓變換器電路的輸出電壓受導(dǎo)通比的影響，文中應(yīng)用MATLAB的可視化仿真工具simulink對升壓，降壓變換器電路的仿真結(jié)果進行了分析，并與相關(guān)文獻中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。采用MATLABSimulink對升壓，降壓變換器電路進行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用MATLABSimulink進行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。應(yīng)用MATLAB對變換器

25、電路仿真研究時，可以通過判斷設(shè)置出不同導(dǎo)通比時產(chǎn)生的波形現(xiàn)象，為分析合適的輸出電壓提供了較好的基礎(chǔ)，是一種值得進一步應(yīng)用推廣的功能強大的仿真軟件，同進也是電力電子技術(shù)實驗較好輔助工具。電力電子變流技術(shù)是利用電力電子器件及其相關(guān)電路進行電能變換的科學(xué)技術(shù)，電壓、電流的變換包含其中。3而電力電子器件又是電力電子變流技術(shù)的核心，也是自動化和電氣工程專業(yè)的基礎(chǔ)知識，具有重要的作用。而在電壓、電流的變換電路中，包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實驗也難順利進行。MATLAB提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對升壓，降壓變換電路進行建模，在不同導(dǎo)通比的情況下進行了仿真分析，既進一步加深了升壓，降壓變換電