电力电子报告 DCDC变换_电力电子dcdc变换

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《电力电子电路的计算机仿真》

综合训练报告

班级

姓名 学号

专业 电气工程及其自动化 指导教师 陈伟

2011年 12 月 26 日

前言

电力电子技术是综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科的知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来的了一定的复杂性和困难，因此一般常用波形分析的方法来研究。本文就基于MATLAB软件，利用MATLAB软件中的Simulink库具有模拟、数字混合仿真功能、具备大量的模拟功能模型和系统分析的能力，进行方波逆变电路的计算机仿真分析，设计了DC-DC变换电路，实现升压，降压功能。

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。

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MOSFET，开关频率40kHz,要求电流连续。

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、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。

关键词：DC-DC变换器 Mosfet开关器件 MATLAB计算机仿真

目 录

第一章

MATLAB仿真软件...................................................................1 1.1 MATLAB简介.................................................................................1 1.2 Simulink简介.............................................................................3 1.2.1 Simulink的功能.....................................................................4 第二章 MOSFET开关器件简介...............................................................4 2.1 MOSFET开关器件简介.................................................................4 2.2 Mosfet的结构及工作原理.........................................................5 第三章 DC-DC变换器的设计原理...........................................................8 3.1 降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理................................8 3.2 升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理............................9 第四章 DC-DC变换器的计算机仿真模型的建立.................................10 4.1 降压变换器仿真........................................................................10 4.1.1 降压变换器电路参数设计..............................................11 4.1.2 降压变换器仿真波形......................................................13 4.2升压变换器设计.........................................................................17 4.2.1 升压变换器电路参数设计..............................................17 4.1.2 升压变换器仿真波形......................................................18 第五章 总结.............................................................................................22 第六章 心得体会....................................................................................22 参考文献：...............................................................................................23

第一章

MATLAB仿真软件

1.1 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和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C++、JAVA的支持。可直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

（1）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同

步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估

不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

（6）实用的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C /C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

（7）应用软件开发（包括用户界面）

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

1.2 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。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。

1.2.1 Simulink的功能

Simulink是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

第二章 MOSFET开关器件简介

2.1 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-Us>Ut Ut为开启电压 耗尽型NMOS导通条件：Ug-Us>-Up Up为夹断电压

2.2 Mosfet的结构及工作原理

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。

然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。

在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图1 MOSFET结构图

图1(a)、(b)分别是MOSFET的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图1(c)所示。

（1）vGS对iD及沟道的控制作用 ① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

图2 MOSFET输出特性曲线

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与

两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

（3）vDS对iD的影响：

图3 MOSFET结构图

如图3(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS0，VP

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS

不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。

随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图3(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图3(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

第三章 DC-DC变换器的工作原理

3.1 降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理

（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

（3）t=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述过程。

图4 降压电路原理图

图5 降压电路电流连续时的波形图

数量关系：

负载电压平均值：U0tontEonEEtontoffTa--导通占空比

ton——V在一个周期内的导通时间

toff——V在一个周期内的关断时间

T为斩波周期，T＝ton＋t0ff 负载电流平均值：

I0U0EMR3.2 升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理

（1）假设L和C值很大。

（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R供电，输出电压Uo恒定。

（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6 升压电路原理图

图7 升压电路电流连续时的波形图

数量关系：

设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为

EI1ton

设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为(U0E)I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：EI1toff(U0E)I1toff

化简得：

U0

tontofftonETE tonT/off>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

第四章 DC-DC变换器的计算机仿真模型的建立

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。

根据降压变换器的工作原理，建立降压变换器的仿真模型：

图8 降压变换器电路

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iL≥0，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。

4.1.1 降压变换器电路参数设计

由Mosfet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）二极管按默认参数设置。（4）负载参数取R=20 Ω。（5）电感参数L=1000H。

（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为300s；

（7）控制脉冲周期设置为0.2s,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：

二极管参数设置：

4.1.2 降压变换器仿真波形

参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果：

占空比20%时的输出电压：

占空比40%时的输出电压：

占空比60%时的输出电压：

占空比80%时的输出电压：

波形分析：根据负载电压计算公式：tontonU0EEEtontoffT

可知，在占空比分别为20％、40%、60%、80%是对应的电压输出应该为：

40v,80v,120v,160v,符合理论计算结果。

占空比40%时的输出电流：

电流连续时的输出电流：

波形分析：

在Mosfet导通期间，L上的电流增加，电感储能增加；在Mosfet关断期间，由于电感电流不能突变，故iL即负载电流通过二极管VD续流，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，L上的储能减小。

电流连续时的二级管电流：

电流连续时的输入电流：

波形分析：

输入电流，在Mosfet导通期间，电源U通过电感L向负载传递能量，电感电流逐渐上升，直到Mosfet关断为止。二极管电流，在Mosfet关断期间，由于电感电流不能突变故iL通过二极管续流，电感上的能量逐步消耗在负载上，故电流逐渐减小。

4.2升压变换器设计

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MOSFET，开关频率40kHz,要求电流连续，根据上述要求完成主电路设计。

根据升压变换器的工作原理，建立升压变换器的仿真模型：

图9 升压变换电路

4.2.1 升压变换器电路参数设计

由Mosfet构成升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理的建模和参数设置：

（1）电压源参数取U=6V。（2）Mosfet按默认参数设置。（3）二极管按默认参数设置。（4）负载参数取R=10 Ω。（5）电感参数L=1H。（5）电容参数C=0.01F。

（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.2s；

（7）控制脉冲周期设置为0.02s,控制脉冲占空比设为60%。

控制脉冲：

4.1.2 升压变换器仿真波形

参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果：

升压变换器的输出电压：

电流连续时二极管电流：

电流连续时输入电流：

波形分析：

在Mosfet导通期间，电源U向电感L充电，充电电流iL基本为iL，电感储能，此时负载由C供电。在Mosfet关断期间，因电感电流不能突变，电感通过VD向电容，负载供电。

电流连续时流过Mosfet的电流：

保持其他参数不变，只改变电感的值，分别取电感为10H，1H，0.1H，可得到如下波形：

L=0.1H

L=1H

L=0.1H

波形分析：

在保持其他参数，只改变电感值的情况下，如果电感太大，会使电感在Mosfet导通期间储存的能量与关断期间所释放的能量相等的关系不能快速的建立起来，所以电感太大，需要更长的时间才能是输出稳定；但如果电感太小，在上电瞬间，会使电感上储存的能量过大，不能及时释放，使得输出过高，出现超调。

第五章 总结

1.直流斩波电路可将直流电压变换成固定的或可调的直流电压，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。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。

2.直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

3.采用Matlab/Simulink对直流斩波电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针，只需对电路结构稍作改变即可实现，因此实用性较强。

4.应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况，方便学习与研究。

第六章 心得体会

本次设计中我查阅了相关书籍、资料，首先对直流斩波电路有了大致的掌握，直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。

进一步复习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。

通过使用Matlab的可视化仿真工具Simulink对升降压斩波Boost—Buck电路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真库里的原器件，增强了画图能力，使用SCOPES（示波器），可以在运行方针时简明地观察到仿真结果，还可将多个结果放在一起以便对比，使我体会到了Matlab的可视化仿真工具Simulink的功能的齐全及使用的便捷。同时在仿真建模的基础上对升降压斩

波Boost—Buck电路进行了详细的仿真分析，将仿真波形与常规分析方法得到的结果进行比较，提高了我设计建模的能力、分析总结能力及加强了对Matlab/Simulink软件的熟练程度。

总之，通过这次基于MATLAB的升压-降压式变换器的仿真的设计，我无论在理论分析上还是在建模仿真上都是受益颇多，体会到了Matlab软件在电力电子技术学习和研究中的应用价值，同时它也是能让我们将理论与实践相结合、将所学知识系统化联系在一起的很好的工具，经过仿真能使所学的概念理解的更清晰、知识掌握的更牢固。

参考文献：

[1] 王兆安、黄俊．电力电子技术．机械工业出版社，2009．6 [2] 王忠礼、段慧达、高玉峰．MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用．清华大学出版社，2007．1 [3] 王辉、程坦．直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究．现代电子技术，2009．5：174-175