基于MatlabSimulink的BOOST電路仿真

1、基于Matlab/Simulink的BOOST電路仿真姓 名：weitor學 號：0000000204班 級：07自動化2班 時間：2010年12月5日1引言BOOST 電路又稱為升壓型電路, 是一種直流- 直流變換電路, 其電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此電路在開關電源領域內(nèi)占有非常重要的地位, 長期以來廣泛的應用于各種電源設備的設計中。對它工作過程的理解掌握關系到對整個開關電源領域各種電路工作過程的理解, 然而現(xiàn)有的書本上僅僅給出電路在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過程的分析, 而沒有提及電路從啟動到穩(wěn)定之間暫態(tài)的工作過程, 不利于讀者理解電路的整個工作過程和升壓原理。采用matlab仿真分析方法, 可直觀、

2、詳細的描述BOOST 電路由啟動到達穩(wěn)態(tài)的工作過程, 并對其中各種現(xiàn)象進行細致深入的分析, 便于我們真正掌握BOOST 電路的工作特性。2電路組成線路由開關S、電感L、電容C組成，如圖1所示，完成把電壓Vs升壓到Vo的功能。圖1BOOST 電路的結(jié)構(gòu)3電路的工作狀態(tài)BOOST 電路的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。其中電流連續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2 (a) 和圖2 (b) 所示, 電流斷續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2 (a)、(b)、(c) 所示, 兩種工作模式的前兩個工作狀態(tài)相同, 電流斷續(xù)型模式比電流連續(xù)型模式多出一個電感電流為零的工作狀態(tài)。（1）充電過程在充電過程中

3、，開關閉合（三極管導通），等效電路如圖2 (a)，開關（三極管）處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。（2）放電過程如圖2 (b)，這是當開關斷開（三極管截止）時的等效電路。當開關斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。 (a) 開關狀態(tài)1 (S 閉合) (b

4、) 開關狀態(tài)2 (S 關斷)(c) 開關狀態(tài)3 (電感電流為零)圖2BOOST 電路的工作狀態(tài)3matlab仿真分析matlab 是一種功能強大的仿真軟件, 它可以進行各種各樣的模擬電路和數(shù)字電路仿真，并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出, 無論對哪種器件和哪種電路進行仿真, 均可以得到精確的仿真結(jié)果。本文應用基于matlab軟件對BOOST 電路仿真, 仿真圖如圖3 所示, 其中IGBT作為開關, 以脈沖發(fā)生器脈沖周期T=0.2ms,脈沖寬度為50%的通斷來仿真圖2 中開關S的通斷過程。圖3BOOST 電路的Simulink 模型3.1電路工作原理在電路中IGBT導通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路

5、，電感L儲能；當IGBT關斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關器件V的通斷周期，可以調(diào)整負載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負載側(cè)輸出電壓的平均值為: （3-1） 式（3-1）中T為開關周期, 為導通時間， 為關斷時間。3.2在模型中設置仿真參數(shù)：（1）設置電源電壓為200V，電阻的阻值為5。（2）脈沖發(fā)生器脈沖周期T=0.2ms,脈沖寬度為50%。（3）IGBT和二極管的參數(shù)可以保持默認值。（4）初選L的值為3mH，C的值為100µF。3.3啟動仿真3. 31電路瞬態(tài)過程分析設置仿

6、真時間為0.01s，算法采用ode15s。仿真波形如圖4.1所示,分別對應的輸出電壓的波形Uo、二極管電流的波形Id、開關管電壓的波形Us、開關管電流的波形Is圖4.1電路相應信號仿真波形仿真時間改為為0.03s時各波形如下：圖4.2電路相應信號仿真波形現(xiàn)分析其工作過程如下:00.1ms 時段: 開關處于斷開狀態(tài), 直流電源通過電感、二極管向負載供電, 電路處于穩(wěn)態(tài)。0.1ms 0.2ms 時段: 開關于0.1ms 0.2ms 之間閉合, 并保持閉合狀態(tài)直到0.2ms, 電路處于圖2. a) 狀態(tài)。由于電路開關狀態(tài)發(fā)生突變, 電路進入暫態(tài)。由于開關閉合,開關電壓降為0, 電感兩端產(chǎn)生壓降, 電

7、感電流開始增長, 電感開始儲存能量; 此時二極管D 處于斷態(tài), 輸出端由電容C 向負載RL 提供能量, 因此可以明顯的觀察到, 電容上的輸出電壓在下降, 這意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時儲存的能量。0.2ms 0.3ms 時段: 開關于0.2ms 0.3ms 之間斷開, 并保持斷開狀態(tài)直到0.3ms, 電路處于圖2. b) 狀態(tài)。電路開關狀態(tài)再次發(fā)生突變, 電路仍處在暫態(tài)中。 電感與電源V串聯(lián), 以高于電源的電壓向電路的后級供電, 使電路產(chǎn)生了升壓作用。此時, 電感向后級電路釋放能量, 電感電流不斷減小, 電感電流通過二極管到達輸出端后, 一部分給輸出提供能量, 一部分給電容充電, 可以觀察到,電

8、容上的電壓在上升, 電容開始儲存能量。電路在0.1ms0.3ms 時段之間的工作過程是BOOST 電路的第一個工作周期, 此后電路重復上述過程繼續(xù)工作。圖.2電路相應信號放大仿真波形3. 32電路穩(wěn)定過程的分析觀察圖.1易見, 電路輸出電壓, 電感電流在5ms 左右趨于穩(wěn)定, 電路進入穩(wěn)態(tài)。3. 33電路穩(wěn)態(tài)分析對4.5m s 5m s 時段進行掃描分析, 對應的輸出波形如圖.2所示, 電路的工作過程與圖3.1.1.1 類似, 只是此刻電感、電容均已進入穩(wěn)定工作狀態(tài), 每個工作周期電感提供相同大小的電壓, 電感電流下降的斜率一定, 電感吸收的能量等于釋放的能量, 電容充電能量等于放電能量, 電

9、感、電容不再吸收能量而成為能量傳遞的工具。通過改變電感的值可更清楚的觀察電感電流的波形，如圖所示3.4結(jié)論 以上的仿真過程分析，可以得到以下結(jié)論：直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關器件，通過控制主電路的接通與關斷，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對升壓斬波電路的仿真結(jié)果進行了分析，與采用常規(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。4 總 結(jié)現(xiàn)在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉(zhuǎn)換成其他的信號等等。我們的日常生活已經(jīng)離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質(zhì)和用電效率成為了全球研究的當務之急。而電力電子技術正是與這一主題相關聯(lián)的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開關電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實現(xiàn)計算機控制。在做課程設計的這段時間里，通過不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解，并且在matlab中仿真實現(xiàn)了。在做課程設計