基于Simulink/SimPowerSystems的開關電源仿真研究

魏廣亮

【摘要】本文建立了BOOST升壓型電路simulink仿真模型，仿真了BOOST電路由啟動到達穩態的工作過程，并對其中各種現象進行細致深入的分析，仿真研究有利于我們掌握BOOST電路的工作特性并指導電路設計。

【關鍵詞】BOOST電路；SimPowerSystems；模型

一、引言

BOOST電路又稱為升壓型電路，是一種直流一直流變換電路，其電路結構此電路在開關電源領域內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。采用matlab仿真分析方法，可直觀、詳細的描述BOOST電路由啟動到達穩態的工作過程，并對其中各種現象進行細致深入的分析，便于我們真正掌握BOO ST電路的工作特性。

BOO ST電路如圖1所示，其工作模式分為電感電流連續工作模式和電感電流斷續工作模式。兩種工作模式的前兩個工作狀態相同，電流斷續型模式比電流連續型模式多出一個電感電流為零的工作狀態。

二、BOOST升壓型電路simulink仿真模型

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字電路仿真，并給出波形輸出和數據輸出，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果1。本文利用SimPowersvstems模塊搭建了的Boost升壓開環電路，如圖2所示。模型中電感L，R1以及電容C的取值均參照參考文獻中的數值，L=8mH，RI=10Ω，C=1000μF，IGBT和二極管的參數保持默認值，脈沖發生器的脈沖周期T=0.2ms，脈沖寬度為67%。

在電路中IGBT導通時，電流由E經升壓電感L和v形成回路，電感L儲能；當IGBT關斷時，電感產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。調節開關器件v的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。

升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為開關處于通態期間因電容C的作用使得輸出電壓UO不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，UO必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，在電容c值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。

三、仿真結果及分析

為便于與推力器的Simulink模型連接運算，采用變步長（Variable Step），最大步長設定為0.02ms，2階3級Runge-Kuua算法（ode23t）進行仿真計算?，F分析其工作過程如下：

0～0.067ms時段：開關處于斷開狀態，直流電源通過電感、二極管向負載供電，電路處于穩態。

0.067ms～0.2ms時段：開關于0.067ms～0.2ms之間閉合，并保持閉合狀態直到0.2ms。由于電路開關狀態發生突變，電路進入暫態。由于開關閉合，開關電壓降為0，電感兩端產生壓降，電感電流開始增長，電感開始儲存能量；此時二極管D處于斷態，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時儲存的能量。

0.2ms～0.267ms時段：開關于0.2ms～0.267ms之間斷開，并保持斷開狀態直到0.267ms。電路開關狀態再次發生突變，電路仍處在暫態中。電感與電源v串聯，以高于電源的電壓向電路的后級供電，使電路產生了升壓作用。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，電容上的電壓在上升，電容開始儲存能量。

當電路進入穩態時，此刻電感、電容均已進入穩定工作狀態，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，電感、電容不再吸收能量而成為能量傳遞的工具，電路穩態如出波形如圖3所示，圖3為穩態輸出放大圖，可以看出電源的紋波在0.6%左右。

四、結論

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的方波，經濾波后變為電壓可調的直流輸出電壓。利用Simulink對升壓斬波電路的仿真結果進行了分析，可以結合simulink的系統仿真技術對開關電源系統進行閉環仿真，設計電源PID控制參數。