基于Ｍａｔｌａｂ的Ｂｕｃｋ電路的研究

摘 要：電力電子電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)的選擇、計(jì)算，往往比較復(fù)雜，利用Matlab 中的電力系統(tǒng)工具箱，不用進(jìn)行編程，也無(wú)需推導(dǎo)電路、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，就可以很快得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。以Buck電路為實(shí)例，討論了其輸出電壓脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，并利用Matlab建立了電路模型，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析將有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了修改，從而確定了最佳參數(shù)模型。可以看出Matlab作為一種新型的高性能的語(yǔ)言，為電力電子技術(shù)的研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供了理想的工具。

關(guān)鍵詞：Matlab；降壓斬波電路；電壓脈動(dòng)；計(jì)算機(jī)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TM743文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-031-03

Research of the Buck Chopper Based on Matlab

JIANG Chunling，WANG Chunling

(Taishan University，Tai′an，271021，China)

Abstract：This is a complex problem in selecting and calculating the parameter，when designing the power electronic circuit.By using the power systems toolbox in Matlab ，users can quickly find out and analyze the results from simulation，don′tneed know the mathematics model and programming.This paper discusses the reason of voltage ripple in buck chopper output，sets up the system model in Matlab，and modifies the parameter by analysing the simulation result，in the end，it confirms the optimum parameter model.Matlab is the ideal tool used for the research and application of power electronics as a new style and high-powered language.

Keywords：Matlab;buck chopper;voltage ripple;computer simulation

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件為普通科研人員進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Mathworks公司推出的基于Matlab平臺(tái)的Simulink是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中廣為應(yīng)用的仿真集成工具之一，它在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。Simulink提供了大量的功能模塊，其中的電力系統(tǒng)工具箱是專(zhuān)門(mén)為電力電子電路仿真設(shè)計(jì)的。在此正是利用Matlab對(duì)Buck電路進(jìn)行研究和分析。

2 Buck電路分析

降壓斬波電路（Buck Chopper）是直流斬波電路中應(yīng)用最為廣泛的一種電路形式。Buck電路用于降低直流電源的電壓，其原理電路如圖1。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)輸入E=200 V，輸出Uo=100 V，R=2 Ω的電路。

基于圖1構(gòu)建電路，但是在實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)電路輸出電壓的脈動(dòng)較大，圖2為L(zhǎng)=0.1 mH，脈沖頻率f=10 kHz時(shí)的輸出電壓波形。因此，如何合理選擇參數(shù)、減小輸出脈動(dòng)，是研究和設(shè)計(jì)Buck電路的關(guān)鍵。

圖１ Buck電路

圖2 無(wú)電容時(shí)輸出負(fù)載電壓波形

圖1工作過(guò)程為在開(kāi)關(guān)器件VT導(dǎo)通時(shí)有電流流經(jīng)電感L向負(fù)載供電，假定在這期間Uo不變，電感電流按直線規(guī)律從I1上升到I2，則有:

E－Uo=LI2－I1ton(1)

ton=(I2－I1)LE－Uo(2)

在開(kāi)關(guān)器件VT關(guān)斷時(shí)，電感L釋放能量，維持負(fù)載電流。假定這期間電感電流按直線規(guī)律從I2下降到I1，則有:

Uo=LI2－I1toff(3)

toff=(I2－I1)LUo(4)

將ton=DT 和toff = (1-D)T（其中D為占空比）代式(1)，(3)，可得到輸出電壓Uo=DE，看到輸出電壓僅與占空比和輸入電壓有關(guān)。但實(shí)際上，電感中的電流是有變化的，將T=1f=ton+toff代入式(2)，(4)，可計(jì)算其變化量:

ΔI＝ED(1－D)fL

由此可知，正是由于電感電流的脈動(dòng)引起了輸出電壓的脈動(dòng)，為了減小輸出電壓脈動(dòng)，可以采取增大電感L或者提高頻率f的方法。而增大電感就要增大電感的體積，因此應(yīng)該合理的選擇電感值，提高斬波頻率是一種行之有效的方法。另外，如果在負(fù)載兩端并聯(lián)一電容，使得ΔiL=ΔiC，則可以使負(fù)載電流脈動(dòng)減小，從而穩(wěn)定輸出電壓。

在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，電感L、電容和脈沖頻率f值的確定比較困難。而利用Matlab中的Simulink建立仿真模型，可以很方便地修改參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 建模與分析

在Simulink中建立Buck電路仿真模型如圖3所示，在模型中設(shè)置參數(shù)輸入電壓E＝200 V，R=2 Ω，取電感L=0.1 mH，電容C=100 μF，脈沖頻率f =10 kHz，為了得到輸出電壓Uo=100 V，應(yīng)選取占空比D=50 %。設(shè)置仿真時(shí)間為0.02 s，算法采用ode15s。啟動(dòng)仿真，得到輸出電壓波形如圖4所示。

圖3 Buck電路仿真模型

由圖4(b)可看出，在二極管導(dǎo)通瞬間其端電壓出現(xiàn)了尖峰，這是由于二極管導(dǎo)通瞬間電感的di/dt作用。

(1) 改變電感對(duì)輸出電壓的影響

取電感L=1 mH，脈沖頻率f=10 kHz，運(yùn)行后得到輸出電壓波形如圖5所示。與圖4(d)對(duì)比，增大電感可以減小輸出電壓的脈動(dòng)，但也會(huì)使輸出電壓平均值減小。

圖4 f=10 kHz時(shí)各信號(hào)波形

圖5 當(dāng)L=1 mH時(shí)輸出電壓波形

(2)改變電容對(duì)輸出電壓的影響

對(duì)比圖2和圖4，可以看出負(fù)載端并聯(lián)電容后，輸出電壓的脈動(dòng)大大減小，因此實(shí)用的Buck電路在負(fù)載兩端要并聯(lián)濾波電容。

(3) 改變脈沖頻率對(duì)輸出電壓的影響

取脈沖頻率f分別為5 kHz，20 kHz，仿真運(yùn)行后得到輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 不同脈沖頻率時(shí)的輸出電壓波形

對(duì)比圖6和圖4(d)可看出，f =5 kHz時(shí)輸出電壓脈動(dòng)明顯增大；f=20 kHz時(shí)輸出電壓脈動(dòng)小，但輸出電壓平均值略有下降，說(shuō)明開(kāi)關(guān)頻率高，器件的開(kāi)關(guān)損耗增大，同時(shí)在電感上的感抗增大。因此在提高斬波頻率的同時(shí)，應(yīng)該考慮到開(kāi)關(guān)損耗對(duì)電路的影響。

通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下電路運(yùn)行后輸出電壓的分析，最后確定參數(shù)選擇斬波頻率為10 kHz，電感L的值為0.1 mH，電容C的值為100 μF。利用Matlab構(gòu)建仿真模型來(lái)設(shè)計(jì)電力電子電路，修改電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)方便，觀察設(shè)計(jì)的效果更直觀，并且避免了在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的器件損壞等問(wèn)題。

在仿真電路中還可以加入傅里葉分析模塊，可以觀測(cè)輸出電壓直流分量，并通過(guò)傅里葉變換分析輸出電壓的諧波成分。通過(guò)運(yùn)行可以看到本電路輸出電壓的各次諧波都很小。

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)已經(jīng)日益成為現(xiàn)代理工科各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行科學(xué)探索、系統(tǒng)可行性研究和工程設(shè)計(jì)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。建模、仿真能力成為現(xiàn)代工程技術(shù)人員需具備的基本技能和交流工具。利用仿真軟件Matlab對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，利用該方法還能對(duì)非常復(fù)雜的電路、電力電子變流系統(tǒng)、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。系統(tǒng)的建模和實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程非常的相似，用戶(hù)不用進(jìn)行編程，也無(wú)需推導(dǎo)電路、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，就可以很快地得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析就可以將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或?qū)⒂嘘P(guān)參數(shù)進(jìn)行修改使系統(tǒng)達(dá)到要求的結(jié)果和性能，這樣就可以極大地加快系統(tǒng)的分析或設(shè)計(jì)過(guò)程。

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作者簡(jiǎn)介 姜春玲 女，1969年出生，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其仿真。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文