基于Simulink/SimPowerSystems的开关电源仿真研究

魏广亮

【摘要】本文建立了BOOST升压型电路simulink仿真模型，仿真了BOOST电路由启动到达稳态的工作过程，并对其中各种现象进行细致深入的分析，仿真研究有利于我们掌握BOOST电路的工作特性并指导电路设计。

【关键词】BOOST电路；SimPowerSystems；模型

一、引言

BOOST电路又称为升压型电路，是一种直流一直流变换电路，其电路结构此电路在开关电源领域内占有非常重要的地位，长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。采用matlab仿真分析方法，可直观、详细的描述BOOST电路由启动到达稳态的工作过程，并对其中各种现象进行细致深入的分析，便于我们真正掌握BOO ST电路的工作特性。

BOO ST电路如图1所示，其工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。两种工作模式的前两个工作状态相同，电流断续型模式比电流连续型模式多出一个电感电流为零的工作状态。

二、BOOST升压型电路simulink仿真模型

matlab是一种功能强大的仿真软件，它可以进行各种各样的模拟电路和数字电路仿真，并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果1。本文利用SimPowersvstems模块搭建了的Boost升压开环电路，如图2所示。模型中电感L，R1以及电容C的取值均参照参考文献中的数值，L=8mH，RI=10Ω，C=1000μF，IGBT和二极管的参数保持默认值，脉冲发生器的脉冲周期T=0.2ms，脉冲宽度为67%。

在电路中IGBT导通时，电流由E经升压电感L和v形成回路，电感L储能；当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断IGBT导通是，电容的放电回路。调节开关器件v的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为开关处于通态期间因电容C的作用使得输出电压UO不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，UO必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容c值足够大时，误差很小，基本可以忽略。

三、仿真结果及分析

为便于与推力器的Simulink模型连接运算，采用变步长（Variable Step），最大步长设定为0.02ms，2阶3级Runge-Kuua算法（ode23t）进行仿真计算。现分析其工作过程如下：

0～0.067ms时段：开关处于断开状态，直流电源通过电感、二极管向负载供电，电路处于稳态。

0.067ms～0.2ms时段：开关于0.067ms～0.2ms之间闭合，并保持闭合状态直到0.2ms。由于电路开关状态发生突变，电路进入暂态。由于开关闭合，开关电压降为0，电感两端产生压降，电感电流开始增长，电感开始储存能量；此时二极管D处于断态，输出端由电容C向负载RL提供能量，因此可以明显的观察到，电容上的输出电压在下降，这意味着电容在释放刚刚静态时储存的能量。

0.2ms～0.267ms时段：开关于0.2ms～0.267ms之间断开，并保持断开状态直到0.267ms。电路开关状态再次发生突变，电路仍处在暂态中。电感与电源v串联，以高于电源的电压向电路的后级供电，使电路产生了升压作用。此时，电感向后级电路释放能量，电感电流不断减小，电感电流通过二极管到达输出端后，一部分给输出提供能量，一部分给电容充电，可以观察到，电容上的电压在上升，电容开始储存能量。

当电路进入稳态时，此刻电感、电容均已进入稳定工作状态，每个工作周期电感提供相同大小的电压，电感电流下降的斜率一定，电感吸收的能量等于释放的能量，电容充电能量等于放电能量，电感、电容不再吸收能量而成为能量传递的工具，电路稳态如出波形如图3所示，图3为稳态输出放大图，可以看出电源的纹波在0.6%左右。

四、结论

直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与关断，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对升压斩波电路的仿真结果进行了分析，可以结合simulink的系统仿真技术对开关电源系统进行闭环仿真，设计电源PID控制参数。