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

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(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程，并對其中各種現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)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(dǎo)電路設(shè)計(jì)。

【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(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中。采用matlab仿真分析方法，可直觀、詳細(xì)的描述BOOST電路由啟動到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程，并對其中各種現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)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(gè)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(gè)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(qiáng)大的仿真軟件，它可以進(jìn)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(jìn)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(xiàn)中的數(shù)值，L=8mH，RI=10Ω，C=1000μF，IGBT和二極管的參數(shù)保持默認(rèn)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(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和v形成回路，電感L儲能；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，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(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導(dǎo)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(fù)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(gè)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(rèn)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(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，UO必然會有所下降，故實(shí)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(shí)，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(yùn)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(jìn)行仿真計(jì)算?，F(xiàn)分析其工作過程如下：

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

0.067ms～0.2ms時(shí)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(jìn)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(shí)二極管D處于斷態(tài)，輸出端由電容C向負(fù)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(shí)儲存的能量。

0.2ms～0.267ms時(shí)段：開關(guān)于0.2ms～0.267ms之間斷開，并保持?jǐn)嚅_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(shí)，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(dá)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(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，此刻電感、電容均已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每個(gè)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(jìn)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(jìn)行閉環(huán)仿真，設(shè)計(jì)電源PID控制參數(shù)。