基于MATLAB/Simulink的直流斩波电路分析

虞梦月

摘要：直流斩波电路是将固定直流电压变换成可变直流电压的电路，广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中。文章分析了直流斩波电路的设计原理，并基于MATLAB/Simulink软件，搭建了升、降压直流斩波电路的模型，通过仿真得到了直观的升、降压关系，加深了对直流斩波电路的认识，为后续斩波电路的学习打下基础。

关键词：直流斩波电路；升压式斩波电路；降压式斩波电路；MATLAB/Simulink

直流斩波电路是将固定直流电压变换成可变直流电压的电路，也称为直流变换技术。广泛地应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆无级变速，以及20世纪80年代兴起的电动汽车控制等。通过设计不同的直流变换电路，可以提供可调的直流电源，进而满足不同设备的性能需求。

直流斩波电路按变换电路的功能分为：升压式变换（Boost Converter）、降压式变换（Buck Converter）、升降压式变换（Boost-Buck Converter）、Cuk变换（CukConverter）、Sepic变换（Sepic Converter）和Zeta变换（ZetaConverter）。

本文以升压式变换电路与降压式变换电路为例，分析其设计原理，推导理论公式，并基于MATLAB/Simulink软件，搭建了直流斩波升、降压电路的模型。

1升压式直流斩波电路分析

1.1工作原理介绍

升压式直流斩波电路顾名思义即输出电压总是高于输入电压，其主电路如图1所示，由可控开关VT、储能电感L、升压二极管VD和滤波电容C组成。

升压式斩波电路的基本工作原理是：当可控开关VT处于通态时，电源E经开关VT向电感L提供能量，二极管VD承受反压而截止，负载R所消耗的能量由电容c提供，此时负载电压等于电容电压。当可控开关VT处于断态时，二极管VD导通，电源E和电感L叠加共同向电容C充电，并给负载R提供能量。

假设电路输出端滤波电容C足够大，以保证输出电压恒定，电感L的值也很大，电路数量关系推算如下：设VT通态时间为t_on，此阶段L上储存的能量为EI₁t_on，设VT断态时间为t_off，此阶段电感释放能量为（U₀-E）I₁t_off。在稳态工作时，电感电压在一个周期（T=t_on+t_off）中积蓄能量与释放能量相等，即：

化简得：

（1-1）

1.2MATLAB/Simulink建模与仿真

为进一步分析升压式直流斩波电路的实际工作情况，利用MATLAB/Simulink软件搭建其仿真模型。可控开关VT由全控型器件IGBT组成，利用示波器进行各支路电流、电压表的波形监测，如图2所示。

在参数设置时，直流电压源E为24V，IGBT的通断由振幅为5，脉冲周期为0.2ms的脉冲来触发，脉冲宽度设置为80，即一个周期的80%开关VT导通，20%开关VT关断。根据理论公式（1-1）计算输出电压平均值：

对于仿真过程中电压波动幅值较大，应增加滤波电容或者提高变换效率。

2降压式直流斩波电路分析

2.1工作原理介绍

降压式直流斩波电路即对输入电压进行降压变换，其主电路如图4所示，由可控开关VT、滤波电容C、储能元件L和续流管VD组成。

降压斩波电路的基本工作原理是：当可控开关VT处于通态时，VD承受反压而截止，电源经开关VT给电感L储存能量，并向负载供电，负载电压U₀=E-U_L。当可控开关VT处于断态时，电感L产生感应电动势，二极管VD导通续流，负载电压U₀=-U_L。

（2-1）

当t_on0低于电源电压E，实现降压目的。

2.2 MATLAB/Simulink建模与仿真

同1.2，利用MATLAB/Simulink建模搭建其仿真模型，如图5所示。参数设置时，由于重点观测降压过程，将直流电压源E设置为200V，IGBT的通断振幅及脉冲周期不变，脉冲宽度设置为50，即一个周期的50%开关VT导通，50%开关VT关断。根据理论公式（2-1）输出电压平均值：

仿真所得的输出电压u₀波形如圖6（a）所示，负载供电电流波形如图6（b）所示。负载上的电压u₀从零开始迅速上升，最后稳定在100V左右，与理论值一致，实现了降压目的。其电压波动幅值较大，将电感从原来的L=0.1H扩大10倍至L=IH，所得到输出电压的波动变得平缓，最终稳定在100V，如图7所示。

3结论

本文分析了直流斩波电路中升、降压变换电路的设计原理，推导了其理论公式，并基于MATLAB/Simulink软件，搭建了升、降压直流斩波电路的模型，通过仿真，波形输出的结果与理论计算值一致，通过增加电感量及电容量或提升电路效率来抑制输出电压波动，对直流斩波电路有了更为直观的理解。