摘 要：電力電子電路設計時參數(shù)的選擇、計算，往往比較復雜，利用Matlab 中的電力系統(tǒng)工具箱，不用進行編程，也無需推導電路、系統(tǒng)的數(shù)學模型，就可以很快得到系統(tǒng)的仿真結果。以Buck電路為實例，討論了其輸出電壓脈動產生的原因，并利用Matlab建立了電路模型，通過對仿真結果分析將有關參數(shù)進行了修改，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。

關鍵詞：Matlab；降壓斬波電路；電壓脈動；計算機仿真

中圖分類號：TM743文獻標識碼：A

文章編號：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

隨著計算機技術的發(fā)展，計算機軟件為普通科研人員進行電力系統(tǒng)仿真奠定了堅實的基礎。Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的Simulink是動態(tài)系統(tǒng)仿真領域中廣為應用的仿真集成工具之一，它在各個領域得到廣泛的應用。Simulink提供了大量的功能模塊，其中的電力系統(tǒng)工具箱是專門為電力電子電路仿真設計的。在此正是利用Matlab對Buck電路進行研究和分析。

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。假設設計一個輸入E=200 V，輸出Uo=100 V，R=2 Ω的電路。

基于圖1構建電路，但是在實際測試時發(fā)現(xiàn)電路輸出電壓的脈動較大，圖2為L=0.1 mH，脈沖頻率f=10 kHz時的輸出電壓波形。因此，如何合理選擇參數(shù)、減小輸出脈動，是研究和設計Buck電路的關鍵。

圖１ Buck電路

圖2 無電容時輸出負載電壓波形

圖1工作過程為在開關器件VT導通時有電流流經電感L向負載供電，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)

在開關器件VT關斷時，電感L釋放能量，維持負載電流。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。但實際上，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引起了輸出電壓的脈動，為了減小輸出電壓脈動，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，如果在負載兩端并聯(lián)一電容，使得ΔiL=ΔiC，則可以使負載電流脈動減小，從而穩(wěn)定輸出電壓。

在實際電路的設計中，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)，直至達到設計要求。

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，應選取占空比D=50 %。設置仿真時間為0.02 s，算法采用ode15s。啟動仿真，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，在二極管導通瞬間其端電壓出現(xiàn)了尖峰，這是由于二極管導通瞬間電感的di/dt作用。

(1) 改變電感對輸出電壓的影響

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

圖4 f=10 kHz時各信號波形

圖5 當L=1 mH時輸出電壓波形

(2)改變電容對輸出電壓的影響

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

(3) 改變脈沖頻率對輸出電壓的影響

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

圖6 不同脈沖頻率時的輸出電壓波形

對比圖6和圖4(d)可看出，f =5 kHz時輸出電壓脈動明顯增大；f=20 kHz時輸出電壓脈動小，但輸出電壓平均值略有下降，說明開關頻率高，器件的開關損耗增大，同時在電感上的感抗增大。因此在提高斬波頻率的同時，應該考慮到開關損耗對電路的影響。

通過對不同參數(shù)下電路運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構建仿真模型來設計電力電子電路，修改電路結構和參數(shù)方便，觀察設計的效果更直觀，并且避免了在實際電路實驗過程中可能出現(xiàn)的器件損壞等問題。

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

4 結 語

系統(tǒng)建模和仿真技術已經日益成為現(xiàn)代理工科各專業(yè)進行科學探索、系統(tǒng)可行性研究和工程設計不可缺少的重要環(huán)節(jié)。建模、仿真能力成為現(xiàn)代工程技術人員需具備的基本技能和交流工具。利用仿真軟件Matlab對降壓斬波電路進行了研究和設計，利用該方法還能對非常復雜的電路、電力電子變流系統(tǒng)、電力拖動自動控制系統(tǒng)進行建模仿真。系統(tǒng)的建模和實際系統(tǒng)的設計過程非常的相似，用戶不用進行編程，也無需推導電路、系統(tǒng)的數(shù)學模型，就可以很快地得到系統(tǒng)的仿真結果，通過對仿真結果分析就可以將系統(tǒng)結構進行改進或將有關參數(shù)進行修改使系統(tǒng)達到要求的結果和性能，這樣就可以極大地加快系統(tǒng)的分析或設計過程。

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作者簡介 姜春玲 女，1969年出生，碩士，副教授。主要研究方向為電力電子技術及其仿真。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文