由IGBT 组成的升压变换器的建模及应用仿真
摘要：根据电力电子技术的原理，升压式变换器的输出电压0U 高于输入电源电压i U ，控制开关与负载并联连接，与负载并联的滤波电容必须足够大，以保证输出电压恒定，储能电感也要很大，以保证向负载提供足够的能量。在设计中，采用绝缘栅双极型晶体管IGBT 作为开关管，它既具有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，驱动电路简单，又具有通态电压低，耐压高，流通大电流等优点。
关键词：升压变换器 IGBT Matlab 建模
一、设计内容
1. 设计原理
图1 升压变换器电路图
图1是升压变换器的电路图，其中i U 为输入直流电源，S 为开关管（在本设计中使用IGBT 作为开关管），在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态。
当开关管S 导通，输入电流流经电感L 和开关管S ，开关管两端的电压降为零，电感两端产生电压降，电感电流开始线性增长，电感开始储存能量，此时二级管VD 处于关断状态。
当开关管S 截止，由于电感电流的连续性，电感L 的线圈产生的磁场将改变线圈两端的极性，以保持电感电流不变，因此电感电压在这一时段出现负电压，此电压是由线圈的磁能转化而成的，它与电源i U 串联，以高于i U 的电压向电路的后级供电，使电路产生了升压作用。此时，电感向后级释放能量，电感电流不断减小，电感电流通过二极管VD 到达输出端后，一部分为输出提供能量，一部分为电容充电。
这是升压变换器的一个工作周期，此后变换器重复上述过程工作至稳态过程。
2. 输出电压与输入电压的关系
若开关管导通时间on t ，关断时间off t ,开关工作周期off on t t +=T 。定义占空比
为： ,升压比为：
。理论上电感储能与释放能量相等，所以当电感电流连续时，输出电压：
3. 参数设置
（1）电源电压设置为直流24V ；
（2）储能电感设置为3.6E-4 H ；
（3）RC 负载设置：R 为24Ω；C 为5.4E-5 F ；
（4）脉冲信号发生器设置：Pulse type 、Time(t)、Amplitude 、Phase delay(secs)均采用默认设置，Period(secs)设置为25e-6，Pulse Width(﹪ of Period)设置为20。
（5）二极管，IGBT ，电压、电流测量量均采用默认值。
4. 仿真目的
（1）观察占空比变化对输出电压的影响。
更改脉冲发生器中的周期参数，在占空比为20％，40％，60％，80％时，观察波形，估计输出电压的值。
（2）观察开关频率变化对输出电压纹波的影响。
占空比恢复为40％，将脉冲发生器输出驱动信号的频率改为原来的一半（20KHz ）和二倍（80KHz ），观测并估计两种条件下电压纹波的大小。
（3）观察滤波参数变化对输出电压纹波的影响。
将脉冲发生器输出驱动信号的频率恢复为40KHz ，将滤波电容值改为原来的一半和二倍，观测并估计两种条件下电压纹波的大小。
（4）观察负载阻值变化对输出电压纹波的影响。
将滤波电容值恢复为5.4E-5 F ，将负载阻值改为原来的一半和二倍，观测两种条件下电压纹波的变化并估计其大小。
结合仿真结果说明开关频率、滤波参数以及负载大小的变化对输出电压纹波的影
T t D on =D M -=11i off U t T U =-=i U D 110
响，并用输出电压纹波的公式验证
仿真结果。
二、Matlab的建模及仿真
1. 仿真电路
仿真模型图如图2所示：
图2 升压变换器建模图
Simulink 仿真模型图中电压源为24V直流电压；L为升压电感；Diode为电力二极管，单向导通，阻止电流反向流动；C为滤波电容；IGBT为斩波器件，R为负载。
U用来测量负载电压；其中IL用来测量流经L的电流；ID用来测量二极管电流；
O
IGBT current 为流经IGBT的电流；Scope为示波器；Pulse Generator为PWM脉冲发生器，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。
2. 仿真波形
（1）占空比为20％，40％，60％，80％时，输出电压的波形分别如图3、图4、图5、图6所示。
（2）占空比为40％，开关频率为20KHz和80KHz时，输出电压的波形如图7、图8所示，并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。
（3）将脉冲发生器的开关频率设为40KHz，将滤波电容值改为2.7E-5 F和10.8E-5 F，输出电压的波形如图9、图10所示，并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。
（4）将滤波电容值恢复为5.4E-5 F，将负载阻值改为12Ω和48Ω，输出电压的波形如图11、图12所示，并观测这两种条件下电压纹波的变化。
图3 f=40KHz，D=0.2时
图4 f=40KHz，D=0.4时
图5 f=40KHz，D=0.6时
图6 f=40KHz，D=0.8时
图7 f=20KHz，D=0.4时
图8 f=80KHz，D=0.4时
图9 f=40KHz,,D=0.4，C=2.7E-5 F时
图10 f=40KHz，D=0.4，C=10.8E-5 F时
图11 f=40KHz，D=0.4，C=5.4E-5 F，R=12 时
图12 f=40KHz ，D=0.4，C=5.4E-5 F ，R=48Ω时
通过观察、对比以上仿真波形图可得以下结论：
（1）由图3、图4、图5、图6可知，随着占空比的不断增大，输出电压的值也随之不断增大，该现象可由式子i O U D
U -=11得到。 （2）由图7、图8可知，其他参数不变，当开关频率减小为原来的一半时，输出电压的波动变大；而当开关频率增大为原来的二倍时，输出电压的波动变小。
（3）由图9、图10可知，其他参数不变，当滤波电容值减小为原来的一半时，输出电压的波动变大；而当滤波电容值增大为原来的2倍时，输出电压的波动变小。
（4）由图11、图12可知，其他参数不变，当负载阻值减小为原来的一半时，输出电压的波动变大；而当负载阻值增大为原来的2倍时，输出电压的波动变小。 以上结论（2）、（3）、（4）的现象可由式子R
f C U D U o o ***=?推出，由该式可看出，输出电压的纹波与滤波电容、开关频率、负载阻值成反比，于是，当C 、F 、R 的值增大时，输出电压的纹波都变小。
三、总结
通过本次设计，对于具有自关断能力的GTO、MOSFET、IGBT全控型器件组成的变换器有了一定的了解和认识，熟悉了Matlab的建模过程。使用Matlab仿真摆脱了常规的分析方法，更加快捷和方便，能够直观的反映出电路的情况，对电路的研究更实用和方便。
在分析电路时可以修改电路中器件的参数来修改电路，也可以随意地改变电路的结构，而在实际应用中需要重新更换器件和结构，浪费时间和金钱，使用Matlab仿真省去了繁琐的工作，在电路分析比较中的优越性更明显。
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