摘 要：DCDC變換器廣泛應用于通訊、計算機、工業(yè)設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。對其仿真具有重要的意義。然而在使用傳統(tǒng)電路仿真軟件對其進行電路仿真時，實際情況并不理想，且仿真速度也相當慢。Matlab/Simulink作為國際上較為流行的用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真與分析的軟件包，在對DCDC變換器電路進行仿真時顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。通過對Buck變換器開關(guān)過程的分析，應用Matlab/Simulink的3種方法對其進行仿真。最后通過仿真波形進行比較，其結(jié)果是一致，且與理論相符。可見Matlab/Simulink適合于在DCDC變換器仿真中應用。應用Matlab/Simulink對DCDC變換器進行仿真是一次創(chuàng)新，其大大提高了仿真效率。

關(guān)鍵詞：DCDC變換器；Buck；仿真效率；Matlab；Simulink

中圖分類號：TP391;TN86 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1802303

Application of Matlab/Simulink in the Simulation of DCDC Converter

ZHU Chunhua1，WANG Jianguo2

(1.Shandong College of Electronic Technology，Ji′nan，250014，China;2.Shandong Radio TV Monitoring Center，Ji′nan，250062，China)

Abstract：DCDC converter is widely used in communication，computers，industrial equipment and household appliances.Therefore its simulation is of most importance.However when the traditional simulation soft wares are used in the simulation of DCDC converter，the simulation circumstance is not perfect in fact and the simulation speed is very slow.Matlab/Simulink is a soft ware used popularly in the modeling，simulation and analyzing of dynamic system internationally.It also shows much advantage when used in the simulation of DCDC converter.By analyzing the switching process of buck converter，its simulation is finished with three methods of Matlab/Simulink.At last，the simulation results are consistent and correspond to theory by comparing the waveforms of simulation results.Obviously，Matlab/Simulink is suitable for the simulation of DCDC converter.The application of Matlab/Simulink in the simulation of DCDC converter is an innovation，which greatly improves the efficiency of the simulation.

Keywords：DCDC converter;Buck;simulation etficiency;Matlab;Simulink

1 Simulink在DCDC變換器仿真中的意義

計算機仿真在DCDC變換器設(shè)計中起著很重要的作用。設(shè)計者利用計算機仿真可以對電路工作情況進行模擬，論證設(shè)計方案的可行性，找出設(shè)計中存在的問題，得到改進方法，這樣既可以避免不必要的損失，節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)成本，又可縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

現(xiàn)在市場上的電路仿真軟件品種很多，其中Spice因其友好的圖形界面，強大的功能庫，在電路仿真時得到廣泛的應用。然而在使用該軟件對DCDC變換器進行電路仿真時，實際情況并不理想，因為Spice在對變換器電路的電路及其對控制器仿真很困難，其仿真速度也相當?shù)寐?，而且不能處理復雜的電路。相對來說Simulink作為國際上較為流行的用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真與分析的軟件包，它支持離散、連續(xù)或者是兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，在對DCDC變換器電路仿真時同樣具有很大優(yōu)勢。近年來，人們對如何利用Simulink對DCDC變換器進行仿真進行深入的研究和探討，其實際應用效果也比較理想。

本文以最基本也是最常用的一種DCDC變換器即Buck變換器為例，對Buck電路的開關(guān)過程進行分析，采用Matlab/Simulink的3種方法進行建模和仿真。文中所采用的幾種分析方法和建模思想可以推廣到Boost，BuckBoost，Cuk及其他拓撲電路中。

2 Buck電路的開關(guān)過程分析

Buck電路的基本拓撲電路如圖1所示。Buck變化器有電感電流連續(xù)（CCM）和電感電流斷續(xù)（DCM）2種工作模式。這里僅對CCM模式進行分析和仿真，但該思想和方法也可用于DCM模式中。在CCM模式下，電路工作過程分VT導通和關(guān)斷2個階段。VT導通時為電感L儲能階段，此時電源向電感及負載提供能量，VT關(guān)斷時電感L釋放能量供負載工作。在CCM模式下，Buck電路的工作情況如圖2所示，圖2（a）為VT導通時的拓撲電路，圖2（b）為VT關(guān)斷時的拓撲電路。

圖1 Buck電路圖圖2 Buck電路的拓撲電路3 Buck電路的三種仿真方法

3.1 狀態(tài)空間平均法

從圖2的拓撲電路中，可以分別寫出Buck變換器導通和關(guān)斷2個階段的狀態(tài)方程。在1個開關(guān)周期內(nèi)用狀態(tài)空間平均法可以得到1個關(guān)于輸出電壓和開關(guān)頻率的非線性狀態(tài)方程。

VT導通時的狀態(tài)方程為：ddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+1L

0Ui（1）

VT關(guān)斷時的狀態(tài)方程為：ddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+0

0Ui（2）

對式（1）和式（2）用時間平均得到：ddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+DL

0Ui（3）

式（3）中，Uo代表輸出電壓；D代表占空比；IL代表電感電流；Ui代表輸入電壓。

用Simulink進行數(shù)學建模如圖3所示。該模型中k=D/L；k1=1/C；k2=1/RC；k3=1/L。

Constant代表輸入電壓。模型上半部分為電感電流iL的狀態(tài)方程的模型實現(xiàn)，下半部分是關(guān)于電容電壓uC的狀態(tài)方程的模型實現(xiàn)。其仿真結(jié)果見圖4(a)。

圖3 狀態(tài)空間平均法的Buck變換器仿真模型圖4 仿真結(jié)果波形圖3.2 電路分析法

電路分析法就是對Buck電路的導通和關(guān)斷的2個階段分別應用電路理論，對節(jié)點應用節(jié)點電流分析，對回路采用回路電壓分析法分析。然后，結(jié)合它的工作過程應用Simulink對其進行建模。

應用KCL和KVL對Buck變換器列寫電路方程：

VT導通狀態(tài)下：LdiLdt=ui－uc

Cducdt=iL－ucRo(4)

VT關(guān)斷狀態(tài)下：LdiLdt=－uc

Cducdt=iL－ucRo (5)

考慮到D的影響，D×式(4)+(1－D)×式(5)，得：LdiLdt=Dui－uC

iL=CduCdt+uCRo(6)

由于電感電流過零后不能變負，所以使用Switch模版。其仿真模型如圖5所示。

圖5 電路分析法的Buck變換器仿真模型圖5中左半部分實現(xiàn)占空比對輸入電壓調(diào)制的模型實現(xiàn)，同狀態(tài)空間平均法的Buck變換器仿真模型。上半部分為電感電流iL的狀態(tài)方程的模型實現(xiàn)，下半部分是關(guān)于電容電壓uC的狀態(tài)方程的模型實現(xiàn)。其仿真結(jié)果見圖4(b)。

3.3 基于Matlab/Power System Blockset的方法

Power System Blockset為Simulink中的一個模塊庫，它提供了電力系統(tǒng)和電力電子電路仿真時所需要的豐富的元件庫。其基本建模思想是使用模塊中直接給出的電學元件根據(jù)實際電路進行建模，仿真模型與實際電路相似。

使用Power System Blockset對Buck變換器建立模型如圖6所示：

圖6 Matlab/Power System Blockset的Buck變換器仿真模型ideal switch為模擬MOS管的理想開關(guān)，右側(cè)的i，v分別用于測量iL和uC的數(shù)值，i需要串聯(lián)于電路中，v需要并聯(lián)于電路中。其仿真結(jié)果見圖4（c）。

3.4 仿真結(jié)果

對以上3種模型分別進行仿真，仿真波形如圖4所示（圖4中橫坐標為t/s，縱坐標為Uo·iL/V·A）。仿真參數(shù)為：d=0.4；L=200 μH；C=50 μF；R=5 Ω；f=10 kHz。

通過比較可以看出3種仿真結(jié)果的波形基本相同，第3種模型的仿真結(jié)果與前2種模型的仿真結(jié)果差別較大是由于第三種模型中的器件有一定的寄生電容和寄生電阻所造成。并且從波形很容易看出，該結(jié)果與理論計算的結(jié)果相一致，可見建立的模型是正確的。

4 結(jié) 語

本文通過應用Matlab/Simulink對Buck變換器進行建模，應用3種方法。在這3種方法中，前2種方法具有很大的相似性，實際上是通過對電路工作過程的分析來建模，工作過程比較清晰，而第三種方法是直接應用模塊來搭建，比較直觀和方便，但是仿真時間較前兩種方法要長些。

在電路設(shè)計中，利用仿真模型，將會更有效地加快可調(diào)功率變換器的設(shè)計，特別是當控制參數(shù)和變換器的元件值變化時。利用Matlab/Simulink進行仿真工作，突破傳統(tǒng)的仿真方法需要大量繁瑣的編程調(diào)試工作，使用戶不必對計算機系統(tǒng)本身賦予更多的精力，而將主要精力集中在課題本身?；贛atlab/Simulink建模方式的仿真方法值得大力推廣。

參 考 文 獻

［1］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］陸治國.電源的計算機仿真技術(shù)［M］.北京：科學出版社，2001.

［4］洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［5］薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［6］陳在平，杜太行.控制系統(tǒng)計算機仿真與CADMatlab語言應用［M］.天津：天津大學出版社，2001.

作者簡介 朱春華 女，1981年出生，碩士。

王建國 男，1978年出生，在讀碩士研究生。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文