基于Matlab的Buck电路的研究

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摘 要：电力电子电路设计时参数的选择、计算，往往比较复杂，利用Matlab 中的电力系统工具箱，不用进行编程,也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快得到系统的仿真结果。以Buck电路为实例，讨论了其输出电压脉动产生的原因，并利用Matlab建立了电路模型，通过对仿真结果分析将有关参数进行了修改，从而确定了最佳参数模型。可以看出Matlab作为一种新型的高性能的语言,为电力电子技术的研究与应用实现提供了理想的工具。

关键词：Matlab；降压斩波电路；电压脉动；计算机仿真

中图分类号：TM743文献标识码：A

文章编号：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

随着计算机技术的发展,计算机软件为普通科研人员进行电力系统仿真奠定了坚实的基础。Mathworks公司推出的基于matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一,它在各个领域得到广泛的应用。Simulink提供了大量的功能模块，其中的电力系统工具箱是专门为电力电子电路仿真设计的。在此正是利用Matlab对buck电路进行研究和分析。

2 Buck电路分析

降压斩波电路（Buck Chopper）是直流斩波电路中应用最为广泛的一种电路形式。Buck电路用于降低直流电源的电压，其原理电路如图1。假设设计一个输入E=200 V，输出Uo=100 V，R=2 Ω的电路。

基于图1构建电路，但是在实际测试时发现电路输出电压的脉动较大，图2为L=0.1 mH，脉冲频率f=10 kHz时的输出电压波形。因此，如何合理选择参数、减小输出脉动，是研究和设计Buck电路的关键。

图1 Buck电路

图2 无电容时输出负载电压波形

图1工作过程为在开关器件VT导通时有电流流经电感L向负载供电，假定在这期间Uo不变，电感电流按直线规律从I1上升到I2，则有:

E－Uo=LI2－I1ton(1)

ton=(I2－I1)LE－Uo(2)

在开关器件VT关断时，电感L释放能量，维持负载电流。假定这期间电感电流按直线规律从I2下降到I1，则有:

Uo=LI2－I1toff(3)

toff=(I2－I1)LUo(4)

将ton=DT 和toff = (1-D)T（其中D为占空比）代式(1)，(3)，可得到输出电压Uo=DE，看到输出电压仅与占空比和输入电压有关。但实际上，电感中的电流是有变化的，将T=1f=ton+toff代入式(2)，(4)，可计算其变化量:

ΔI＝ED(1－D)fL

由此可知，正是由于电感电流的脉动引起了输出电压的脉动，为了减小输出电压脉动，可以采取增大电感L或者提高频率f的方法。而增大电感就要增大电感的体积，因此应该合理的选择电感值，提高斩波频率是一种行之有效的方法。另外，如果在负载两端并联一电容，使得ΔiL=ΔiC，则可以使负载电流脉动减小，从而稳定输出电压。

在实际电路的设计中，电感L、电容和脉冲频率f值的确定比较困难。而利用Matlab中的Simulink建立仿真模型，可以很方便地修改参数，直至达到设计要求。

3 建模与分析

在Simulink中建立Buck电路仿真模型如图3所示，在模型中设置参数输入电压E＝200 V，R=2 Ω,取电感L=0.1 mH，电容C=100 μF，脉冲频率f =10 kHz，为了得到输出电压Uo=100 V，应选取占空比D=50 %。设置仿真时间为0.02 s，算法采用ode15s。启动仿真，得到输出电压波形如图4所示。

图3 Buck电路仿真模型

由图4(b)可看出，在二极管导通瞬间其端电压出现了尖峰，这是由于二极管导通瞬间电感的di/dt作用。

(1) 改变电感对输出电压的影响

取电感L=1 mH，脉冲频率f=10 kHz，运行后得到输出电压波形如图5所示。与图4(d)对比，增大电感可以减小输出电压的脉动，但也会使输出电压平均值减小。

图4 f=10 kHz时各信号波形

图5 当L=1 mH时输出电压波形

(2)改变电容对输出电压的影响

对比图2和图4，可以看出负载端并联电容后，输出电压的脉动大大减小，因此实用的Buck电路在负载两端要并联滤波电容。

(3) 改变脉冲频率对输出电压的影响

取脉冲频率f分别为5 kHz,20 kHz，仿真运行后得到输出电压波形如图6所示。

图6 不同脉冲频率时的输出电压波形

对比图6和图4(d)可看出，f =5 kHz时输出电压脉动明显增大；f=20 kHz时输出电压脉动小，但输出电压平均值略有下降，说明开关频率高，器件的开关损耗增大，同时在电感上的感抗增大。因此在提高斩波频率的同时，应该考虑到开关损耗对电路的影响。

通过对不同参数下电路运行后输出电压的分析，最后确定参数选择斩波频率为10 kHz，电感L的值为0.1 mH，电容C的值为100 μF。利用Matlab构建仿真模型来设计电力电子电路，修改电路结构和参数方便，观察设计的效果更直观，并且避免了在实际电路实验过程中可能出现的器件损坏等问题。

在仿真电路中还可以加入傅里叶分析模块，可以观测输出电压直流分量，并通过傅里叶变换分析输出电压的谐波成分。通过运行可以看到本电路输出电压的各次谐波都很小。

4 结 语

系统建模和仿真技术已经日益成为现工科各专业进行科学探索、系统可行性研究和工程设计不可缺少的重要环节。建模、仿真能力成为现代工程技术人员需具备的基本技能和交流工具。利用仿真软件Matlab对降压斩波电路进行了研究和设计，利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统、电力拖动自动控制系统进行建模仿真。系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似,用户不用进行编程，也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快地得到系统的仿真结果，通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就可以极大地加快系统的分析或设计过程。

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作者简介 姜春玲 女，1969年出生，硕士，副教授。主要研究方向为电力电子技术及其仿真。

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