基于MATLAB直流-直流變換器的研究---畢業(yè)論文

1、【標題】 基于 MATLAB直流 - 直流變換器的研究【作者】 周清華【關鍵詞】 降壓變換器 升壓變換器 占空比 MATLAB 仿真【指導老師】 黃江波【專業(yè)】 物理學【正文】1. 緒論1.1. 引言 課題主要研究降壓直流 -直流變換器 (Buck Converter) 和升壓直流 -直流變換器 (Boost Converter) 的工作原理，通過對兩個變換器的仿真實驗結果進行對比，最后得出重要結論。1.2. 課題研究目的及意義 隨著電動牽引技術的發(fā)展， 特別是電子信息類產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)， 直流變換技術已廣泛應用于 生產(chǎn)、生活的各個領域。大到地鐵列車、無軌電車、計算機、各種家用電器、電動汽車和醫(yī)

2、 學器械， 小到移動電話、 MP3播放器 13 。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能2030。直流斬波器不僅有調壓的作用，同時還能有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲 1 。所以研究直 流變換器具有重要的現(xiàn)實理論意義。在電力電子系統(tǒng)的研究中， 仿真研究由于其高效、 高精度及高的經(jīng)濟性與可靠性而得到大量 應用。 Matlab 作為一種新型的高性能的語言，為電力電子技術的研究與應用實現(xiàn)提供了理 想的工具 14 。Matlab/Simulink是一種有效的仿真工具， 本課題應用 Matlab 的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 進行直流變換器的仿真和分析， 能夠很好的模擬實際電路的各種電氣量， 從而進行更好

3、的分析研究直流變換器，以達到促進電力電子技術的發(fā)展 6 。1.3. 目前國內外研究的現(xiàn)狀1.3.1. 從理論方面研究 傳統(tǒng)的理想模型和實際電路之間的偏差是開關變換器建模不可忽視的問題。圍繞這一問題， 在文獻 DC-DC開關變換器的建模分析中，對 DC-DC開關變換器建模方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨 勢進行深入分析， 提出了一種非理想基本變換器在連續(xù)工作模式下的電路平均建模方法。 以 非理想 Buck 變換器和非理想 Boost 變換器為例，闡明了建模過程并進行了仿真研究和實驗 驗證，建立了非理想 M1開關模型， 在此基礎上推導了 Buck-Boost 變換器在連續(xù)工作模式下 的等效電路模型， 進行了穩(wěn)態(tài)

4、和動態(tài)小信號特性分析。 該建模方法考慮了變換器的寄生參數(shù)， 模型直觀、物理意義清晰、具有實用價值 7 。作者還提出了非理想變換器在斷續(xù)工作模式下的電路平均建模方法， 該方法不僅考慮了變換 器的寄生參數(shù)，而且考慮了電流的紋波。首次建立了非理想 Buck 變換器、非理想 Boost 變 換器在斷續(xù)工作模式下的大信號平均模型、DC和小信號電路模型，進行了穩(wěn)態(tài)分析，導出了傳遞函數(shù)。統(tǒng)一了非理想 Buck 變換器、非理想 Boost 變換器在連續(xù)工作模式和斷續(xù)工作 模式下的大信號平均模型，推導了斷續(xù)工作模式和連續(xù)工作模式的邊界。研究了 Buck 變換 器和 Boost 變換器在斷續(xù)工作模式下的小信號特性

5、，討論了不同的參數(shù)對小信號特性的影 響，并與臨界連續(xù)、連續(xù)工作模式下的小信號特性進行了比較。1.3.2. 從控制方法上研究基于電壓箝位 ZVS推挽三電平直流變換器 一文中， 作者提出了采用移相控制實現(xiàn)零電壓 開關的研究。 為解決推挽變換器中存在的開關管電壓應力高， 難以實現(xiàn)軟開關， 關斷時會導 致整流二極管產(chǎn)生很高的電壓尖峰等問題， 提出了一種電壓箝位零電壓開關推挽三電平變換 器。對該變換器采用移相控制可使得超前管依靠濾波電感的能量、 滯后管利用諧振電感的能 量實現(xiàn)零電壓開關， 同時加入的箝位電路可使輸出整流二極管后的電壓尖峰得到消除， 改善 了輸出整流二極管的工作條件 8 ?；谥绷髯儞Q器并

6、聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)均流的非線性控制 ，作者針對并聯(lián)直流變換器提出了一種 新穎的非線性動態(tài)均流控制策略。 文章首先利用開關脈沖分段函數(shù)建立了兩相交錯并聯(lián)變換 器兩輸入兩輸出仿射非線性模型， 推導出對應的非線性坐標變換矩陣和非線性狀態(tài)反饋規(guī)律 表達式， 得到狀態(tài)反饋精確線性化模型。 接著文章利用二次型最優(yōu)控制對線性化模型進行動 態(tài)均流控制設計， 得到精確線性化的狀態(tài)反饋規(guī)律， 建立了一種基于微分幾何理論的非線性 均流控制策略。 研究表明， 兩相并聯(lián)直流變換器通過狀態(tài)反饋精確線性化得到的非線性均流 控制策略，比現(xiàn)有 PID 均流控制有更好的動態(tài)均流特性，同時具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質 9 。1.3.3. 從仿

7、真手段上研究基于 Simulink 在電力電子技術教學中的應用一文中，作者研究了 Simulink 仿真的優(yōu) 點。他對目前常用的教學仿真軟件的優(yōu)缺點進行了分析比較，選擇 Matlab 環(huán)境下 Simulink 仿真工具對電力電子技術中的 SPWM調制技術進行了仿真。結果表明，將該軟件模 塊化、 可視化的特點應用到電力電子技術課程的教學中，可以幫助學生更直觀、 清晰地學習和理解一些較復雜的算法問題，在電力電子技術教學中具有一定的推廣價值 10 。1.4. 有待解決的問題 磁放大器式多路輸出直流變換器由高頻變壓器二次側串接LT，再接到整流管 VD3 和 LC輸出濾波器。這種多路輸出 DC/DC變換

8、器適用于輸出電流為 1A 至幾十安培的場合，但是由于非 線性元件的存在使得反饋回路的設計較為困難， 所以有待解決適合磁放大器式多路輸出直流 變換器的反饋回路的較為簡單的設計 2 。 電壓加權反饋式多路輸出直流變換器的好處主要是變換器輸出支路的整體穩(wěn)壓精度有所提 高，電路結構比較簡單，輸出電壓最低可達到5V 左右。但是由于反饋信號是每路輸出的加權和，因此所有支路的輸出均無法得到準確調節(jié)， 它只是通過控制量的加權系數(shù)改變輸出誤 差在各支路的分配比例，而不能消除誤差，所以這種問題也有待解決 3 。1.5. MATLAB 仿真軟件介紹Matlab 自從正式推出以后， 經(jīng)過不斷地完善、 擴充，其功能與應

9、用領域在不斷地擴展。 Matlab 中的電力系統(tǒng)工具箱 (Power System) 具有豐富的器件模型庫和齊全的分析功能，且操作方 便、簡單易學， 可以方便快捷地分析電力電子電路， 特別適用于電力電子的教學和實驗 12 。 進入 MATLAB系統(tǒng)后打開模塊庫瀏覽窗口，用鼠標左鍵雙擊其中的SimPowerSystems 即可彈電力系統(tǒng)工具箱模塊庫。它主要包含以下幾類：電源庫、元件庫、電力電子元件庫、機組模 型、連接元件、測量元件、其它元件、電力圖形用戶界面、演示系統(tǒng)等，基本涵蓋了電路、 電力電子、 電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型， 其元件和 模塊是由電力工業(yè)領域的

10、專家提出并得到實際證實的， 符合電力專業(yè)分析軟件的要求。 這些 模塊庫包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊 4 。利用 SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真與分析， 在進入虛擬實驗環(huán)境后， 不需要書寫代碼， 只需使用鼠標拖動庫中的功能模塊并將它們連接 起來， 按照實驗要求修改各元器件的參數(shù)， 即可方便、 直觀地建立各種系統(tǒng)模型并進行仿真 10 。1.6. 論文研究的主要內容 本文以常規(guī)的降壓直流 -直流變換器 (Buck Converter) 和升壓直流 -直流變換器 (BoostConverter) 為主要研究對象， 首先分別建立實驗電路圖， 然后用 MATLAB中的 simulink 仿真 軟件進

11、行仿真測試， 分析這兩種基本直流變換電路的輸出電流 、輸出電壓 波形， 及控制 脈沖占空比 對輸出電流 、輸出電壓 的控制作用。 最后對比兩個直流變換器的仿真結果， 總結出結論。2. 對升壓變換器的研究2.1. 直流 -直流變換器的控制直流 -直流變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到 負載上，通過改變通斷時間比(通常稱為占空比，用 表示)來改變輸出電壓平均值 15 。 在直流 - 直流變換器中， 當輸入電壓和負載變化和波動時， 直流輸出電壓保持不變。 或者是， 當輸入電壓不變時， 直流輸出電壓隨著電壓給定值的變化而變化。 圖 2-1 給出了基本的直流 -直流變

12、換器的結構及其輸出波形。(b)(a)圖 2-1 基本的直流 - 直流變換器的結構及其輸出波形開關管導通時，輸出電壓等于輸入電壓如圖 2-1 (b)所示，輸出電壓的平均值；開關管斷開時，輸出電壓等于 0。輸出電壓波形 為2-1)式中 開關周期； 開關占空比， 。由式( 2-1 )可知，改變負載端輸出電壓有 3 種調制方法：1. 開關周期 保持不變，改變開關管導通時間，也稱為脈寬調制 (PWM)；2. 開關管導通時間 保持不變，改變開關周期；3. 改變開關管導通時間 ，同時也改變開關周期 。方式 1 的 PWM是最常見的調制方式， 這主要是因為后兩種方式改變了開關頻率， 而輸出級濾 波器是根據(jù)開關

13、頻率設計的，顯然，方式 1 有較好的濾波效果。圖 2-2(a) 是脈寬調制方式的控制原理圖。給定電壓 與實際輸出電壓 經(jīng)誤差放大器得到 誤差控制信號 ，該信號與鋸齒波信號比較得到開關控制信號，控制開關管的導通和關斷， 得到期望的輸出電壓。圖 2-2(b) 給出了脈寬調制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開 關頻率。一般選擇開關頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。（a）PWM控制原理圖（b）PWM工作波形 圖 2-2 脈寬調制原理圖 當 ，開關控制信號變高，開關管導通；當 ，開關控制信號變低，開關管斷開。按照控制 電壓和鋸齒波幅值的關系，開關占空比 可以表示成：(2-2)直流 - 直流變換器有兩種不同

14、的工作模式：電感電流連續(xù)模式、電感電流斷續(xù)模式。在不同 的情況下， 變換器可能工作在不同的模式。因此， 設計變換器及其控制器參數(shù)時， 應該考慮 這兩種不同的工作模式的特性。2.2 升壓變換器的工作原理 升壓變換器也稱為 Boost 變換器。 正如名字所指的， 升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電 壓。圖 2-3 是升壓變換器的電路圖。當開關管導通時，輸入電源的電流流過電感和開關管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。 當開關管斷開時，電感的感應電勢使二極管導通，電感電流 通過二極管和負載構成回路， 由輸入電源向負載提供能量。在下面的穩(wěn)態(tài)分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大， 以確保輸出電壓保持恒

15、定，即 。圖 2-3 升壓變換器電路原理圖2.2.1 電流連續(xù)模式時的工作情況 如圖 2-4 所示為電感電流連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)波形。 在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓在一個周期內的積分是0，即上式的兩邊除以 ，整理后得：b）開關管斷開時的等效電2-3)（a）開關管導通時的等效電路路圖 2-4 升壓變換器電路的情況（假定 連續(xù)） 假設電路沒有損耗，則 ，故2-4)2.2.2 電流連續(xù)與斷續(xù)模式的邊界圖 2-5 （ a）給出了在電感電流臨界連續(xù)的情況下和 的波形。（a）電感電壓和電感電流波形（b）保持 為常數(shù)時 ， 與 的關系函數(shù)圖 2-5 臨界連續(xù)模式下的情況 由定義可知，在臨界連續(xù)的情況下，在斷開間隔結束時電

16、感電流降為 0。在臨界情況下的電感電流平均值為（ 2-5）在升壓變換器中，電感電流和輸入電流相等（流臨界連續(xù)狀態(tài)下的輸出電流平均值是）, 且由式（ 2-4 ）和式（ 2-5 ）可得，在電（2-6）大多數(shù)升壓變換器的應用都要求 恒定。在 恒定時， 在臨界連續(xù)情況下輸出電流 與占空 比 的函數(shù)關系曲線如圖 2-5 （ b）所示。保持 不變時，輸入電壓變化，則意味著要改變 占空比 。圖 2-5 （ b）表明：在占空比 D=0.5 時，電流臨界連續(xù)所要求的電感電流 最大，為（2-7）在占空比 =0.33 時，電流臨界連續(xù)所要求的輸出電流 最大，為（2-8）將式（ 2-7 ）和式（ 2-8 ）分別代入式

17、（ 2-5 ）和式（ 2-6 ），則電感電流 和輸出電流 分別 可以表示為（2-9）（2-10）圖 2-5（ b）表明：對于給定的占空比 ，當輸出電壓 恒定時， 若負載電流平均值低于 （同 時，電感電流平均值也會低于 ），則變換器工作在電流斷續(xù)模式。2.2.3 電流斷續(xù)模式時的工作情況b）在電流斷續(xù)模式下假設當輸出負載功率減少時， 和 保持不變（盡管在實際中， 為保持 不變，必須改變 ）。 如圖 2-6 所示為假定 和 不變的情況下，臨界連續(xù)和斷續(xù)模式的工作波形。（a）在電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)圖 2-6 升壓變換器工作波形 在圖 2-6 （b）中，當 （= ）降低時，由于 保持不變，所以導致

18、 （= ）降低，進入電 流斷續(xù)模式。由于圖 2-6 中的 和 保持不變，所以 在兩種模式下是相同的，只有圖 2-6 （b）中 升高，則 - 更負， 才可能降低。電感電壓在一個周期內的積分等于 0，有所以(2-11 )（2-12）在圖 2-6（b） 中，輸入電流平均值（也等于電感電流平均值）為(2-13) 將式 (2-13) 代入式 (2-12) 中得（2-14）在大多數(shù)應用中， 保持不變， 改變時會導致 的改變，所以占空比 與負載電流在不 同 時的函數(shù)關系時非常有用的。由式 （2-8） 、式 （2-11） 和式 （2-14） 可得（ 2-15 ）圖 2-7 給出了不同 時占空比 與負載電流 的

19、函數(shù)關系曲線。 虛線是電流連續(xù)和斷續(xù)模式 的界限。圖 2-7 保持 不變時升壓變換器的特性曲線在電流斷續(xù)模式下，從輸入傳送到電容和負載的能量至少為如果負載不能夠吸收這些能量，電容的電壓 將持續(xù)上升，直至建立能量平衡。如果不控 制 ，當負載電流很小時， 的上升可能導致電容被擊穿或產(chǎn)生很高的危險電壓。2.3 升壓變換器的仿真研究一個直流升壓斬波變換電路模型圖如圖 2-8 所示，其輸出電壓 總是大于輸入電源電壓 當開關 S閉合時， 二極管受電容器 C上的電壓影響反向斷開， 于是將輸出級隔離， 由輸入端 電源向電感供應能量。 當開關 S 斷開時， 二極管正向導通， 輸出級吸收來自電感與輸入端電 源的能

20、量。在進行穩(wěn)態(tài)分析時，假定輸出濾波器足夠大，以確保一個恒定的輸出電壓 。圖 2-8 升壓斬波變換電路模型圖根據(jù)電感的基本特性，在穩(wěn)態(tài)時電感電壓在一個周期內對時間的積分必須為零，即兩邊除以 ，整理后可得（2-16 ）在式（ 2-16 ）中， 為占空系數(shù)。當輸入電壓 保持不變時，改變 即可改變輸出電壓 。其實驗電路如圖 2-9 所示。圖 2-9 升壓斬波變換電路原理圖2.3.1 升壓變換器的建模仿真啟動 MATLAB7.0，進入 simulink 后新建文檔，繪制直流升壓斬波變換電路模型如圖 2-10 所 示。雙擊各個模塊，在出現(xiàn)的對話框內設置相應的參數(shù) 16 。（1）直流電壓源參數(shù)設置：直流電源

21、電壓為100V。（2）電阻、電容和電阻參數(shù)設置： C=5e-4F， L=1mh， R=10 。（3）脈沖發(fā)生器模塊（ pulse ）的參數(shù)設置：振幅設置為 1V，周期為 0.002S ，脈沖寬度為 20%。對 Boost 變換器電路模型進行仿真。 在使用晶閘管 GTO，MOSFE，TIGBT 等元件的仿真模型中， 仿真時使用剛性積分算法，通常使用 Ode15s 或 Ode23tb 以獲得最好的仿真速度。圖 2-10 直流升壓斬波變換電路模型圖2.3.2 仿真結論仿真開始時間為 0.0s, 停止時間設置為 0.04s 。設置好各模塊參數(shù)后，單擊工具欄的 按鈕 進行仿真。圖 2-11 脈沖寬度為

22、20%直流升壓斬波變換電路仿真結果 雙擊示波器模塊模塊，得到仿真結果如圖 2-11 所示。圖中 UL為電感 L端電壓， IL 為流過 電感的電流， U 為電源電壓， UF為負載電壓， PULSE為觸發(fā)信號。圖 2-11 中第一張波形圖中紅色波形線表示流過電感電流， 黃色波形線表示電感 L 端電壓。 第二張圖中紅色波形線表 示電源電壓，黃色波形線表示負載電壓。第三張圖中波形表示觸發(fā)信號。 將脈沖發(fā)生器模塊里的脈沖寬度設為60%，再進行仿真，仿真結果如圖 2-12 所示。圖 2-12 脈沖寬度為 60%直流升壓斬波變換電路仿真結果圖 2-12 中第一張波形圖中紅色波形線表示流過電感電流，黃色波形線

23、表示電感 L 端電壓。 第二張圖中紅色波形線表示電源電壓， 黃色波形線表示負載電壓。 第三張圖中波形表示觸發(fā) 信號。由圖 2-11 、圖 2-12 和圖 2-4 比較可以看出，基于 Matlab 的 Boost 變換器仿真結果與理論 分析得出的結果是一致的。 在 Boost 直流變換器仿真模型中， 改變可關斷晶體管 GTO觸發(fā)脈 沖的占空比 D， Boost 變換器輸出電壓 與之相應改變，且有 等于 /（1-D） ，與理論分析 得出的結果也是一致的。同時也驗證了，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。3. 對降壓變換器的研究3.1. 降壓變換器的工作原理低于輸入電降壓變換器也稱為 Buck 變

24、換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓 壓。將式（ 2-2 ）代入式（ 2-1 ）可以得到輸出電壓平均值 15（3-1）式中 常數(shù)。從式（ 3-1 ）可見，輸出電壓平均值 隨控制電壓線性變化。在實際應用中，存在如下問題：1. 實際的負載應該是感性的。即使是阻性負載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因 此，采用圖 2-1 的電路可能由于電感上的感應電壓毀壞開關管。 采用圖 3-1 的電路， 則電感 中儲存的電能可以通過二極管續(xù)流釋放給負載。2. 在大多數(shù)應用中需要的是平穩(wěn)的直流電壓。而圖 2-1 的電路輸出電壓在 0 和 間變化。 采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓。

25、圖 3-1 所示電路的工作過程是： 在開關管導通期間， 圖 3-1 中的二極管反偏， 輸入提供能量 給電感，同時提供能量給負載。 但開關管關斷時， 電感電壓使二極管導通， 電感中存儲的能 量傳送給負載。圖 3-1 降壓變換器電路原理圖（a）濾波器前的電壓波形b ）頻譜（c ） 濾波特性圖 3-2 電壓波形、頻譜及濾波器特性 圖 3-2（a） 所示的輸入電壓 的波形，可以分解成直流分量 、具有開關頻率 的諧波分量， 如圖 3-2（b） 所示。采用由電感和電容組成的低通濾波器的特性如圖 3-2（c） 所示。低通濾波 器的角頻率 應大大低于開關頻率 ，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關頻率造成

26、的紋波。假設輸出端的濾波電容足夠大， 則輸出電壓的瞬時值不變，即 。在穩(wěn)態(tài)情況下， 因為電容 電流平均值為 0，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值。3.1.1 電流連續(xù)模式時的工作情況圖 3-3 給出了電流連續(xù)模式的工作波形和開關管導通和斷開時的等效電路。 在開關管導通期 間 ，輸入電源經(jīng)電感流過電流，二極管反偏。這導致在電感端有一個正向電壓 ，如圖 3-3（a） 所示。這個電壓引起電感電流 的線性增加； 當開關管關斷時， 由于電感中儲存電能， 產(chǎn)生感應電勢，使二極管導通， 經(jīng)二極管繼續(xù)流動， ，電感電流下降，如圖 3-3（b） 所 示。在穩(wěn)壓情況下，波形是周期變化的，電感電壓在一個周期內的

27、積分為0，即（3-2）在圖 3-3 中，由式（ 3-2 ）所示， A部分的面積與 B部分的面積一定 相等，因此，得b）開關管斷開時的等效電路3-3)（a）開關管導通時的等效電路圖 3-3 降壓變換器電路的情況（假定 連續(xù)） 因此， 在電流連續(xù)模式中，當輸入電壓不變時，輸出電壓 隨占空比而線性改變， 而與電路 其他參數(shù)無關。忽略電路所有元件的能量損耗，則輸入功率 等于輸出功率 ，即 = 因此故有（3-4）因此， 在電流連續(xù)模式下，降壓變換器相當于一個直流變壓器，通過控制開關的占空比，可 以得到要求的直流電壓。由式 （3-4） 可知，輸入電流平均值 與輸出電流 是變比的關系，但當開關管斷開時，瞬時

28、 輸入電流從峰值跳變到 0，這樣對輸入電源會有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個 適當?shù)臑V波器用來消除不必要的電流諧波。3.1.2 電流連續(xù)與斷續(xù)模式的邊界圖 3-4 給出了在電感電流臨界連續(xù)的情況下 和 的波形在臨界連續(xù)的情況下， 在斷開間隔 結束時，電感電流降為 0。用交表 B表示臨界連續(xù)情況下的電感電流平均值，得式中 電感電流的峰值。 因此，在所給的條件下，如果輸出電流平均值 式下。（3-5）比式（ 3-5 ）所給的 小，則工作在斷續(xù)模（a）電感電壓和電感電流波形（ b）保持 為常數(shù)時 與 的關系函數(shù)圖 3-4 臨界連續(xù)模式下的情況3.1.3 電流斷續(xù)模式時的工作情況在直流電機速度控

29、制系統(tǒng)中， 輸入電壓 基本上是不變的。 在直流可調電源的應用中， 輸入 電壓 是變化的， 但輸出電壓 保持不變。 在電流斷續(xù)模式下， 以上兩種不同情況下的輸出 電壓表達式是不一樣的。1. 為常數(shù)時的工作情況 在直流電機速度控制系統(tǒng)中，輸入電壓 保持不變，靠改變占空比 改變輸出電壓 。 在電流臨界連續(xù)的情況下， = ，由式（ 3-5 ）可得，電感電流平均值為由式（ 3-6 ）可知，保持 和其他參數(shù)不變，作在電流連續(xù)模式所需要的電感電流最大，即（3-6）是占空比 的函數(shù)。在 D=0.5 時，為保證工由式（ 3-6 ）和（ 3-7 ）可得(3-7)(3-8)圖 3-5 降壓變換器工作在斷續(xù)模式電感電

30、壓和電感電流波形 假設初始時變換器運行在電流臨界連續(xù)情況下， 如圖 3-4（a） 所示，如果保持 ，L， 和 等 參數(shù)不變，當輸出負載功率減?。簇撦d阻抗上升），則電感電流平均值下降，小于 ，電 感電流斷續(xù)。圖 3-5 顯示出當負載阻抗上升時，導致電感電流斷續(xù)的波形。在圖 2-18 中的 的時間段，電感電流為 0，負載阻抗的能量僅由濾波電容器單獨提供。在 該期間中，電感電壓為 0。電感電壓在一個周期內的積分等于0，從而有3-9)所以 （3-10）式中， <1。從圖 3-5 可得（ 3-11 ）因此（3-12）（3-13 ）所以（3-14）由式（ 3-10 ）和式（ 3-14 ）有（3-1

31、5 ）圖 3-6 保持 不變時降壓變換器的特性曲線圖 3-6 給出了在輸入電壓不變時， 電流連續(xù)喝電流斷續(xù)兩種模式下降壓變換器的特性， 即在不同占空比時， 電壓變換率 與電流比 之間的函數(shù)關系。 圖中的虛線是電流連續(xù)和斷續(xù) 模式的界限。2. 為常數(shù)時的工作情況在直流可調電源的應用中，輸入電壓 是變化的，通過改變占空比 保持輸出電壓 不變。 在電流臨界連續(xù)的情況下， = , 電感電流平均值為（ 3-16 ）式（ 3-16 ）表明：如果 不變，在 =0時， 為最大，即3-17)應該注意到：相應 =0 時，要得到恒定的輸出電壓 ，則需要無窮大的輸入電壓 ，而這 時不可能的。由式 （3-16） 和式（

32、 3-17 ）可得3-18 ) 在保持輸出電壓 不變的情況下， 由式（3-8 ）、式（3-11）、式（3-17 ）可得占空比 與 的 函數(shù)關系式微（ 3-19 ）圖 3-7 給出了保持輸出電壓不變的情況下， 不同 是占空比 與 的函數(shù)關系曲線。 圖中的 虛線是電流連續(xù)斷續(xù)模式的界限。圖 3-7 保持 不變時降壓變換器的特性曲線3.2. 降壓變換器的仿真研究（a） 基本電路拓撲結構電路圖 （b） 波形圖 圖 3-8 直流降壓變換的基本電路拓撲結構圖 直流降壓斬波變換電路產(chǎn)生一個低于直流輸入電壓 的平均輸出電壓 。一個具有純電阻負 載的降壓變換的基本電路拓撲結構如圖3-8 （a）所示。假定開關是理

33、想的，則瞬時輸出電壓與開關的通斷狀態(tài)。如圖 3-8 （ b）所示，根據(jù)開關占空比可計算平均輸出電壓為或表示為在連續(xù)到點的工作模式中， 當輸入電壓一定時， 輸出電壓與開關的占空比成線性關系， 而與 任何其他電路參數(shù)無關，其實驗電路如圖 3-9 所示圖 3-9 直流降壓斬波變換實驗電路圖3.2.1. 降壓變換器的建模仿真啟動 MATLAB7.0，進入 simulink 后新建文檔，繪制直流降壓斬波變換電路模型如圖3-10 。雙擊各個模塊，在出現(xiàn)的對話框內設置相應的參數(shù) 5 。1. 直流電壓源參數(shù)設置：直流電源電壓為100V。2. 電阻、電容和電阻參數(shù)設置： C=1e-3F， L=1mh，R=1 。

34、3. 脈沖發(fā)生器模塊 （pulse ）的參數(shù)設置： 振幅設置為 1V，周期為 0.001S ，脈沖寬度為 50%。 在圖 3-10 中 U 為電源電壓， IF 為流過負載電流， UVD為二極管端電壓， pulse 為觸發(fā)信號， UF為負載電壓。對 Buck 變換器電路模型進行仿真。 在使用晶閘管 GTO，MOSFE，T IGBT 等元件的仿真模型中， 仿真時使用剛性積分算法，通常使用Ode15s 或 Ode23tb 以獲得最好的仿真速度。圖 3-10 直流降壓斬波變換電路模型圖仿真結論仿真開始時間為 0.0s, 停止時間設置為 0.02s 。Buck 變換器電路模型仿真如圖 3-11 所示。 設置好各模塊參數(shù)后， 單擊工具欄的 按鈕進行仿真。 雙擊示波器模塊模塊， 得到仿真結果 如圖 3-11 所示。圖 3-11 脈沖寬度為 50%直流降壓斬波變換電路仿真結果圖 3-11 中第一張波形圖表示電源電壓。第二張波形圖，紅色的波形線表示二極管端電壓， 黃色的波形線表示流過負載電流。第三張表示觸發(fā)信號。第四張表示負載電壓。 將脈沖發(fā)生器模塊里的脈沖寬度設為80%，再進行仿真，仿真結果如圖 3-12 。圖 3-12 脈沖寬度為 80%直流降壓斬波變換電路仿真結果圖 3-12 中第一張波形圖表示電源電壓。第二張波形圖，紅色的波形線表示二極管端電壓