巧用Matlab仿真DC—DC變換器

劉德春+李定珍+張迪

摘要：為了增強學習效果，選用典型案例，采用案例法進行學習。先提出問題，引入案例；后分析問題，經過討論，層層剖析問題，找出解決問題的途徑和方法；最終借助Matlab軟件仿真驗證，解決問題。該學習方式直觀、形象，避免了枯燥的理論推導，極大地調動了學生學習積極性，激發了同學們的學習興趣和熱情，受到了學生們的一致認可和歡迎。

關鍵詞：案例學習法；Matlab仿真；DC-DC變換器；學習效果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0210-02

一、引言

案例學習法是選擇合適、恰當、典型的案例進行講授的，可極大地調動起學生強烈的求知欲[1-2]。而Matlab軟件有強大的仿真功能，可直觀地再現電路的基本定律、定理，以及電路的響應曲線、特性分析，效果非常動態、形象。比較難理解的推導過程，通過Matlab仿真，即可輕松掌握[3]。因此可將Matlab與所學課程融合起來，盡量減少理論推導，著重培養學生利用Matlab去分析解決問題，加強實踐鍛煉，開拓思路，開闊思維，全面鍛煉其能力。

二、案例學習法的應用實踐

在課堂學習中采用案例學習法，一上課，老師就拋出一個精心挑選的具體案例，提出需要解決的問題，一下就抓住學生的眼球，激發起學生的認知興趣和情感，充分調動起學生的積極性和興趣；然后由師生共同分析討論，層層剖析需要解決的問題，啟發學生的思維，讓學生用最短的時間和精力投入到學習最佳狀態中；接下來找出合適的方法，解決問題。下面列舉一個實際案例講解。

1.提出問題，引入案例。試設計一個變換器電路，要求輸入電壓為3～6V的不穩定直流電壓，輸出為穩定的15V直流電壓。要求紋波電壓低于0.2%，負載電阻為10Ω。

2.分析討論，剖析案例。師生共同就提出的問題進行討論、分析，得知該電路是一個DC-DC升壓變換器。師生共同設計電路如圖1所示。Us為輸入電壓，大小為3～6V，Uo為輸出電壓。通過開關管T的控制作用，來實現升壓變換。輸入側電壓串接大電感，是電流源性質，輸出側負載電阻上并聯大電容，是電壓源性質。開關管選用MOSFET，開關頻率選為40KHz。電路中其他元件參數如下：

占空比調節范圍：

Uo/Us=15/6=1/（1-DCmin） DCmin=0.6 （1）

Uo/Us=15/3=1/（1-DCmax） DCmax=0.8 （2）

臨界電感值：

Lc=R/2*DCmin（1-DCmin）2*Ts=10/2*0.6

（1-0.6）2*1/4000=12μH （3）

實際電感值取臨界值的1.2倍，因此L取15μH。

根據紋波要求計算電容值：

C=Vo*Dcmax*Ts/R*△Vo=15*0.8/10*0.002*15*

4000=1mF （4）

實際中所取電容值應該有一個裕量，在本例中不再留裕量，電容就直接取1mF。

3.巧用Matlab仿真案例，解決問題。（1）建立仿真模型。根據題意要求建立仿真模型，所建立的仿真模型如圖2所示。在Matlab軟件的“Simulink”庫以及“SimPowerSystems”中提取所需的模塊。

主電路仿真設計步驟：在“SimPowerSystems/Electrical Sources”庫中選擇直流電壓源模塊，在對話框中將US設為3～6V中的任意一個值；然后在“Power Electronics”庫中選擇“Mosfet”和“Diode”模塊，導通電阻設為0.00000001，其中“Diode”的壓降設為0.8；在“Elements”庫中選串聯RLC支路模塊，分別設為R=10Ω、L=15uH、C=1mF。控制電路仿真設計步驟：在“Simlink/Sourc es”庫中選擇“Pulse Generator”模塊，幅值設為1，周期設為25e-6s，占空比設為60%，其他為默認值。波形觀測的設計：在Simlink/Signal Routing庫中選擇“Bus Selector”模塊，連接“Mosfet”和“Diode”的觀測端口，將“Bus Selector”設為測試電流[4]。設“Scope”為6輸入通道。在“SimPowerSystems/Extra Library/Measyrements”里選取“Mean Value”，將其設置為20e-6s，在“Simlink/Sinks”里選取“Display”，則可求輸出電壓平均值并顯示。（2）分析仿真結果。仿真時間設為0.1s，仿真算法選擇ode23t。運行仿真，可得電路Uo的仿真波形。Uo的平均值測量：設輸入電壓為6V，占空比60%時輸出Uo平均值如圖2中所示，為14.99V。Uo的波形分析：電壓Uo上升階段，電容電流為一個不斷減小的正值，因此Uo雖上升，但上升率卻不斷減小；下降階段，電容電流是一個恒定的負值，因此Uo以恒定的斜率下降。若需要Uo波形，了解變換器何時有穩定的Uo。這就需要繪制其完整Uo波形。方法如下：將數據存入Workspace中，命名為ScopeData，點擊ScopeData，即出現一對話框，點擊其中Uo的信息，點擊圖標

（plot（ScopeData.signals（1，4）.values），即可繪制出圖3所示輸出電壓Uo的完整波形。Uo的紋波分析：輸出電壓有紋波，但紋波值很小。紋波的計算：輸入6V時，Uomax=15.0105V，Uomin=14.977V，平均值為14.99V，則紋波電壓為0.22%，比要求的紋波大一點，這可通過加大電容值使電壓紋波滿足要求。

三、學習效果顯著增強

選擇合適的方法對增強課堂學習效果起著舉足輕重的作用[5]。采用案例學習法，借助Matlab仿真軟件，理論聯系實際，通過提出問題，層層剖析問題，師生共同討論，把同學們的疑惑，通過仿真，直觀地將過程和結果呈現出來，便于學生與教師溝通交流，大大提高了學生的聽課熱情，調動了課堂氣氛，促進了學生主動參與課堂的積極性，激發了學習興趣，增強了課堂的聽課效果。該案例在我們14級兩個電氣工程及其自動化班進行了課堂實踐，約99%的學生喜歡該方法。這種學習方式直觀、形象，易于知識的掌握，明顯優于傳統的學習方法。

參考文獻：

[1]郭桂葉，李斌.“電工電子技術”課堂教學的改革與實踐[J].遵義師范學院學報，2011，（6）：93-94.

[2]李鵬飛，李正中，鄔紅，劉顯榮.工程案例在“電力電子技術”課堂教學中的應用探討[J].中國電力教育，2011，（25）：101-102.

[3]孫默.基于課堂教學視頻案例的教師遠程培訓[J].中國電化教育，2011，（4）：85-86.

[4]林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[J].中國電力工業出版社，2009.

[5]趙一梅.談課堂教學中學生資源的開發和利用[J].教育探索，2011，（2）：85-86.