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        基于Simulink/SimPowerSystems的開關(guān)電源仿真研究

        2013-10-09 03:09:36魏廣亮
        科學導報·學術(shù)論壇 2013年8期
        關(guān)鍵詞:二極管穩(wěn)態(tài)電感

        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(wěn)態(tài)的工作過程,并對其中各種現(xiàn)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(shè)計。

        【關(guān)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(jié)構(gòu)此電路在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位,長期以來廣泛的應用于各種電源設(shè)備的設(shè)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(wěn)態(tài)的工作過程,并對其中各種現(xiàn)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(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。兩種工作模式的前兩個工作狀態(tài)相同,電流斷續(xù)型模式比電流連續(xù)型模式多出一個電感電流為零的工作狀態(tài)。

        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(shù)字電路仿真,并給出波形輸出和數(shù)據(jù)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(jié)果1。本文利用SimPowersvstems模塊搭建了的Boost升壓開環(huán)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(shù)值,L=8mH,RI=10Ω,C=1000μF,IGBT和二極管的參數(shù)保持默認值,脈沖發(fā)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(jīng)升壓電感L和v形成回路,電感L儲能;當IGBT關(guān)斷時,電感產(chǎn)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(cè)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(diào)節(jié)開關(guān)器件v的通斷周期,可以調(diào)整負載側(cè)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(guān)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(guān)處于通態(tài)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(jié)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(jié)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(shè)定為0.02ms,2階3級Runge-Kuua算法(ode23t)進行仿真計算。現(xiàn)分析其工作過程如下:

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

        0.067ms~0.2ms時段:開關(guān)于0.067ms~0.2ms之間閉合,并保持閉合狀態(tài)直到0.2ms。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變,電路進入暫態(tài)。由于開關(guān)閉合,開關(guān)電壓降為0,電感兩端產(chǎn)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(tài),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(tài)時儲存的能量。

        0.2ms~0.267ms時段:開關(guān)于0.2ms~0.267ms之間斷開,并保持斷開狀態(tài)直到0.267ms。電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變,電路仍處在暫態(tài)中。電感與電源v串聯(lián),以高于電源的電壓向電路的后級供電,使電路產(chǎn)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(wěn)態(tài)時,此刻電感、電容均已進入穩(wěn)定工作狀態(tài),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(wěn)態(tài)如出波形如圖3所示,圖3為穩(wěn)態(tài)輸出放大圖,可以看出電源的紋波在0.6%左右。

        四、結(jié)論

        直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件,通過控制主電路的接通與關(guān)斷,將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波,經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對升壓斬波電路的仿真結(jié)果進行了分析,可以結(jié)合simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)對開關(guān)電源系統(tǒng)進行閉環(huán)仿真,設(shè)計電源PID控制參數(shù)。

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