巧用Matlab仿真DC—DC变换器

刘德春+李定珍+张迪

摘要：为了增强学习效果，选用典型案例，采用案例法进行学习。先提出问题，引入案例；后分析问题，经过讨论，层层剖析问题，找出解决问题的途径和方法；最终借助Matlab软件仿真验证，解决问题。该学习方式直观、形象，避免了枯燥的理论推导，极大地调动了学生学习积极性，激发了同学们的学习兴趣和热情，受到了学生们的一致认可和欢迎。

关键词：案例学习法；Matlab仿真；DC-DC变换器；学习效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0210-02

一、引言

案例学习法是选择合适、恰当、典型的案例进行讲授的，可极大地调动起学生强烈的求知欲[1-2]。而Matlab软件有强大的仿真功能，可直观地再现电路的基本定律、定理，以及电路的响应曲线、特性分析，效果非常动态、形象。比较难理解的推导过程，通过Matlab仿真，即可轻松掌握[3]。因此可将Matlab与所学课程融合起来，尽量减少理论推导，着重培养学生利用Matlab去分析解决问题，加强实践锻炼，开拓思路，开阔思维，全面锻炼其能力。

二、案例学习法的应用实践

在课堂学习中采用案例学习法，一上课，老师就抛出一个精心挑选的具体案例，提出需要解决的问题，一下就抓住学生的眼球，激发起学生的认知兴趣和情感，充分调动起学生的积极性和兴趣；然后由师生共同分析讨论，层层剖析需要解决的问题，启发学生的思维，让学生用最短的时间和精力投入到学习最佳状态中；接下来找出合适的方法，解决问题。下面列举一个实际案例讲解。

1.提出问题，引入案例。试设计一个变换器电路，要求输入电压为3～6V的不稳定直流电压，输出为稳定的15V直流电压。要求纹波电压低于0.2%，负载电阻为10Ω。

2.分析讨论，剖析案例。师生共同就提出的问题进行讨论、分析，得知该电路是一个DC-DC升压变换器。师生共同设计电路如图1所示。Us为输入电压，大小为3～6V，Uo为输出电压。通过开关管T的控制作用，来实现升压变换。输入侧电压串接大电感，是电流源性质，输出侧负载电阻上并联大电容，是电压源性质。开关管选用MOSFET，开关频率选为40KHz。电路中其他元件参数如下：

占空比调节范围：

Uo/Us=15/6=1/（1-DCmin） DCmin=0.6 （1）

Uo/Us=15/3=1/（1-DCmax） DCmax=0.8 （2）

临界电感值：

Lc=R/2*DCmin（1-DCmin）2*Ts=10/2*0.6

（1-0.6）2*1/4000=12μH （3）

实际电感值取临界值的1.2倍，因此L取15μH。

根据纹波要求计算电容值：

C=Vo*Dcmax*Ts/R*△Vo=15*0.8/10*0.002*15*

4000=1mF （4）

实际中所取电容值应该有一个裕量，在本例中不再留裕量，电容就直接取1mF。

3.巧用Matlab仿真案例，解决问题。（1）建立仿真模型。根据题意要求建立仿真模型，所建立的仿真模型如图2所示。在Matlab软件的“Simulink”库以及“SimPowerSystems”中提取所需的模块。

主电路仿真设计步骤：在“SimPowerSystems/Electrical Sources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将US设为3～6V中的任意一个值；然后在“Power Electronics”库中选择“Mosfet”和“Diode”模块，导通电阻设为0.00000001，其中“Diode”的压降设为0.8；在“Elements”库中选串联RLC支路模块，分别设为R=10Ω、L=15uH、C=1mF。控制電路仿真设计步骤：在“Simlink/Sourc es”库中选择“Pulse Generator”模块，幅值设为1，周期设为25e-6s，占空比设为60%，其他为默认值。波形观测的设计：在Simlink/Signal Routing库中选择“Bus Selector”模块，连接“Mosfet”和“Diode”的观测端口，将“Bus Selector”设为测试电流[4]。设“Scope”为6输入通道。在“SimPowerSystems/Extra Library/Measyrements”里选取“Mean Value”，将其设置为20e-6s，在“Simlink/Sinks”里选取“Display”，则可求输出电压平均值并显示。（2）分析仿真结果。仿真时间设为0.1s，仿真算法选择ode23t。运行仿真，可得电路Uo的仿真波形。Uo的平均值测量：设输入电压为6V，占空比60%时输出Uo平均值如图2中所示，为14.99V。Uo的波形分析：电压Uo上升阶段，电容电流为一个不断减小的正值，因此Uo虽上升，但上升率却不断减小；下降阶段，电容电流是一个恒定的负值，因此Uo以恒定的斜率下降。若需要Uo波形，了解变换器何时有稳定的Uo。这就需要绘制其完整Uo波形。方法如下：将数据存入Workspace中，命名为ScopeData，点击ScopeData，即出现一对话框，点击其中Uo的信息，点击图标

（plot（ScopeData.signals（1，4）.values），即可绘制出图3所示输出电压Uo的完整波形。Uo的纹波分析：输出电压有纹波，但纹波值很小。纹波的计算：输入6V时，Uomax=15.0105V，Uomin=14.977V，平均值为14.99V，则纹波电压为0.22%，比要求的纹波大一点，这可通过加大电容值使电压纹波满足要求。

三、学习效果显著增强

选择合适的方法对增强课堂学习效果起着举足轻重的作用[5]。采用案例学习法，借助Matlab仿真软件，理论联系实际，通过提出问题，层层剖析问题，师生共同讨论，把同学们的疑惑，通过仿真，直观地将过程和结果呈现出来，便于学生与教师沟通交流，大大提高了学生的听课热情，调动了课堂气氛，促进了学生主动参与课堂的积极性，激发了学习兴趣，增强了课堂的听课效果。该案例在我们14级两个电气工程及其自动化班进行了课堂实践，约99%的学生喜欢该方法。这种学习方式直观、形象，易于知识的掌握，明显优于传统的学习方法。

参考文献：

[1]郭桂叶，李斌.“电工电子技术”课堂教学的改革与实践[J].遵义师范学院学报，2011，（6）：93-94.

[2]李鹏飞，李正中，邬红，刘显荣.工程案例在“电力电子技术”课堂教学中的应用探讨[J].中国电力教育，2011，（25）：101-102.

[3]孙默.基于课堂教学视频案例的教师远程培训[J].中国电化教育，2011，（4）：85-86.

[4]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[J].中国电力工业出版社，2009.

[5]赵一梅.谈课堂教学中学生资源的开发和利用[J].教育探索，2011，（2）：85-86.