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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计说明书课程名称: 电力电子课程设计 设计题目: Boost电路的建模与仿真 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一五 年 一 月专心-专注-专业目录引言 课程设计任务书题目Boost电路建模、仿真任务建立Boost电路的方程,编写算法程序,进行仿真,对仿真结果进行分析,合理选取电路中的各元件参数。要求课程设计说明书采用A4纸打印,装订成本;内容包括建立方程、编写程序、仿真结果分析、生成曲线、电路参数分析、选定。 V1=20V10%V2=40VI0=0 1AF=50kHZ第一章 电路原理分析Boost电路,即升压斩波电路(B
2、oost Chopper),其电路图如图11所示。电路中V为一个全控型器件,且假设电路中电感L值很大,电容C值也很大。当V处于通态时,电源E(电压大小为)向电感L充电,电流流过电感线圈L,电流近似线性增加,电能以感性的形式储存在电感线圈L中。此时二极管承受反压,处于截断状态。同时电容C放电,C上的电压向负载R供电,R上流过电流R两端为输出电压(负载R两端电压为),极性为上正下负,且由于C值很大,故负载两端电压基本保持为恒值。当V处于断态时,由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性,以保持不变,这样E和L串联,以高于电压向电容C充电、向负载R供电。下图12为V触发电流和输出负载电流的波形,图
3、13为电感充放电电流的波形。图21第二章 电路状态方程为了方便后面MATLAB程序的编写,此文中选取电感电流iL和电容电压V2为两个状态变量,建立状态方程。2.1 当V处于通态时电源E对L充电,设电感电流初值为,即由可得L电流为:设通态时间为,则时L电流达到最大, (式21)同时,电容C向负载供电,其电流为:电路状态方程如下:2.2 当V处于断态时电源和电感L同时向负载R供电,L电流的初始值则为V处于通态的终值,由可得: (式22)设断态时间为,则时L电流将下降到极小值,即为,故由(式22)得:,于是得到。令,并设占空比,升压比为,其倒数为,则与的关系可表示为: (式23)由此式可见,故,则达
4、到电压升高的目的。电路状态方程如下:第三章 电路参数的选择3.1 占空比的选择由(式23)可得:,其中V1=12V10% ,V2=24V故可得:3.2 电感L的选择在该电路中,前面已经假设电感L的值必须足够大,在实际中即要求电感有一个极限最小值,若L,将导致电感电流断续,并引起MOSFET元件V和续流二极管VD以及电感L两端的电压波形出现台阶,如图31所示。 这种情况将导致输出电压纹波增大、电压调整率变差,为防止此不良情况的出现,电感L需满足下式要求: (式31)根据临界电感的定义可知,当储能电感时,V导通时,通过电感的电流都是从零(即)近似线性增加至其峰值电流,而V截止期间,由下降到零。在此
5、情况时,刚好处在间断与连续的边缘,而且MOSFET、二极管和电感两端电压的波形也刚好不会出现台阶,此时电感电流的平均值正好是其峰值电流的一半。即 (式32) 且此时有,代入(式23)得:(式33)由(式32)和(式33)得: (式34)根据电荷守恒定律,电路处于稳定状态时,电感L在V截止期间所释放的总电荷量等于负载在一个周期T内所获得的电荷总量,即(式35)由(式34)和(式35)得: (式36)已知数据V2=24V,并取V1=12V,代入(式36)得:故由(式31)得:3.3 电容C的选择在该电路中,当V截止、VD导通时,电容C充电,上升,此时流过二极管VD的电流等于电感L的电流。设流过C的
6、电流为,流过R的电流为(此处将其近似看成一周期内的平均值为),则 (式37)由(式37)与(式22)得:通过求出期间充电电压的增量,就可得到输出脉动电压峰峰值 (式38)由于此过程中负载电流可看成线性变化,且认为电容C的电压由0开始上升,并且到时电感L电流刚好下降为0,故 (式39) (式310)将(式39)和(式310)代入(式38)并整理得: (式311)已知V1=12V,V2=24V,取,则由(式311)得:当取时,当取时,当取时,3.4 负载电阻R的选择根据公式可得:第四章 电路控制策略的选择4.1电压闭环控制策略在前面提到电容C假设为很大的值,但由于实际上C不可能无穷大,所以输出电压
7、会在一定范围内波动,为使输出电压稳定在一个较为理想的范围内,通过测量输出端的电压,与电压给定值比较,得到误差,再经过PI调节器,送到PWM脉冲发生器的输入端,利用PWM的输出脉冲来控制功率管的导通和关断。当输出电压V0大于给点值Vref时,(V0-Vref)增大,从而PWM脉冲的占空比D增大,由V0=V1/(1-)可知,V0减小,从而控制V0保持不变。控制流程图如下:图4-14.2 直接改占空比控制输出电压假设某次计算中占空比为,对应的输出电压为;而理想的输出为,对应的占空比为,则有:,由此可得:因此每隔一定时间根据输出电压的变化利用上式计算出新的占空比,这样就能使电压逐步逼近并稳定在期望值附
8、近。故电路的控制策略如下:首先计算出电路的时间常数,由此来确定改变占空比的频率,在每个调整点测量电路的实际输出电压,利用公式计算得出新的占空比,从而调整电路输出电压。第五章 MATLAB编程5.1 定义状态函数a) V导通时电感的电流和电容电压的状态方程,定义函数如下:function y=funon(t,x)global V1 R C L;y=V1/L;-x(2)/(R*C);b) V关断时电感的电流和电容电压的状态方程,定义函数如下:function y=funoff(t,x)global V1 R C L;y=( V1-x(2)/L;(x(1)*R-x(2)/(R*C);c) V关断且电
9、感电流出现不连续时的状态方程,定义函数如下:function y=funoffdiscon(t,x)global V1 R C L;y=0;-x(2)/(R*C);5.2 主程序的编写clear;%清除工作空间global V1 R C L %定义全局变量L=300e-6;%输入电感L的值C=33.33e-6;%输入电容C的值R=120;%输入电阻R的值f=50000;%输入频率f的值T=1/f;%输入周期T的值n=3;m=2000%定义迭代计算的轮数(3)和每轮的计算周期数(2000)t01=zeros(m,1); t02=zeros(n,1); x10=0,0;%设定电感电流和输出电压的迭
10、代初值a=1/2;%初始占空比V1=12 %电路输入电压tt=,xx=for j=1:nton=T*a %三极管开通时间 toff=(1-a)*T %三极管关断时间t02(j)=(j-1)*m*T %用于记录迭代过的总周期数for i=1:mt01(i)=(i-1)*T; %用于记录每一轮中已迭代周期数t,x1=ode45(funon,linspace(0,ton,6),x10);%调用函数求解三极管导通时的状态方程tt=tt;t+t01(i)+t02(j);%用于记录已迭代的总周期数xx=xx;x1;%用于记录已求得的各组电感电流和输出电压值 x20=x1(end,:);%将最后一组数据作为
11、下一时刻的初值 t,x2=ode45(funoff,linspace(0,toff,6),x20);%调用函数求解三极管截止时的状态方程if x2(end,1)0 %此时电感电流出现断续for b=1:length(x2) %此循环检验从哪个时刻开始电感电流降为0if x2(b,1)i1) | (xx(p,1)v1) | (xx(p,2)v2) biaozhi=0;break; end;biaozhi = 1; end; if biaozhi =1 ,vts =k*0.12/72774;break;end;enddisp(输出电压调节时间),vtsdisp(电感电流调节时间),its5.3 运
12、行结果取V1=12V,a=0.5,R=100欧,并依据上面3.3中的计算结果,取不同的电感值和电容值进行仿真,比较输出波形,对电路参数进行优化。a) 取,输出电压的波形如下:电感电流iL的波形如下:b) 取,输出电压的波形如下:电感电流的波形如下:c) 取,输出电压的波形如下:电感电流的波形如下:第六章 Simulink仿真利用MATLAB的Simulink模块对boost电路进行仿真,由于Simulink提供了模块化的元件,只要将构成boost电路的各个元件连接起来便可以搭建boost电路模型,对元件设定适当的参数后,对电路进行仿真,同时用示波器观察电路响应、分析电路特性。6.1 电路模型的
13、搭建电路模型如下所示:图6-16.2 仿真结果对上面5.3中的各组数据进行Simulink仿真,并利用示波器输出结果,各组波形图如下(注:上图为输出电压波形,下图为电感电流波形)。a) 取,b) 取,c) 取,由上图可见,输出电压和电感电流的衰变已明显变缓,输出电压最终将稳定在24V左右,电感电流的平均值最终也将稳定于0.4A左右,可见电路参数已基本满足设计要求。第七章 结果分析 对MATLAB编程仿真结果和用Simulink进行电路模型仿真结果进行进一步分析,可以看出,当电感L变大时,电感电流波形的衰变速度变缓、振荡幅度减小,且趋于稳态时波形的脉动较小;电感减小时则反之。在开始的一段时间出现
14、比较明显的振荡,并且经过一定的调节时间才能达到稳定状态,随着电感值得增大,调节时间也增大,动态响应速度下降。故在实际中为了平衡动态响应和稳态响应,电感的取值会有一个适当的范围,若不考虑系统的扰动,电感取值可以尽量大些。 另一方面,当电容增大时,输出电压波形的衰减变缓,趋于稳态时脉动较小,调节时间变短,但其振荡幅度会有一定的增大;电容减小时则反之,且与电感电流的情况类似。在开始的一段时间会出现比较明显的振荡,但相对于电感电流振荡幅度小很多。用MATLAB程序得出的结果更接近理想值24V,而用Simulink仿真得出的结果误差比较大,可能是采取的求解方法不一样。 对于电阻R,主要是由输出电压和负载电流所决定的,由于电容的取值不可能是无穷大,输出电压要小于24V,故后面将电阻减小,已使在相同输出电压的条件下负载电流增大,最终将电阻选定为,此时电感电流基本稳定在0.4A附近,满足电路设计要求。参考文献(1)王兆安、黄俊. 电力电子技术(第4版)M. 北京:机械工业出版社, 2008.(2)薛定宇、陈阳泉. 基于MATLABSimulink的系统仿真技术与应用M. 北京:清华大学出版社, 2002.(3)冯巧玲. 自动控制原理M. 北京:北京航空航天大学出版社, 2007.