Cuk斩波完整版本

PAGE2PAGE3JIU电力电子技术课程设计题目Cuk斩波的MATLAB仿真院系电子工程学院专业自动化姓名学号指导教师张波2013年摘要将一直流电压变换为另一固定或可调的直流电压的变换叫做直流—直流（DC/DC）变换，电路多使用具有自关断能力的GTO、P-MOSFET与IGBT全控型器件。这些电力电子器件工作在开关状态，即将直流电压断续地加到负载上,通过改变电压加在负载上的时间与停歇的时间来改变负载上电压的平均值。DC/DC变换器又叫做斩波器或直流断续器或直流调压器，它以体积小、质量小、效率高等优点被广泛用于干线铁道、工矿与城市地铁的电力机车牵引调速、电瓶搬运车、铲车、通信系统电源、计算机系统使用直流斩波技术，不仅可以实现调压功能，而且还可以达到改善网侧谐波和提高功率因素的目的。直流斩波技术主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合。关键字：MATLAB；CUK斩波；电力电子技术摘要 21课程设计的目的 42课程设计原理图 42.1IGBT工作原理 42.2Cuk斩波原理 52.3仿真模型使用模板的参数设置 62.4电路分析 83MATLAB/SIMULINK基础知识 93.1MATLAB介绍 93.2MATLAB的主要组成部分 93.3SIMULINK的模块库介绍 103.4SIMULINK功能模块的处理 103.5SIMULINK线的处理 113.6SIMULINK仿真的运行 124课程设计仿真图 155心得体会 166参考文献 16PAGE41课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：(1)培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；(2).培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；(3).培养学生运用知识的能力和工程设计的能力；(4).提高学生课程设计报告撰写水平；(5).提高学生通过实验测试、研究分析和完善设计的水平。2课程设计原理图2.1IGBT工作原理IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。IGBT由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，有具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛运用，在较高频率的大、中功率应用中占据主导地位IGBT的等效电路如图所示，由图1知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极直接电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制器件，在它栅极G一发射极E间施加十几V的直流电压，只有在Ua极漏电极电流流过，基本上不消耗2.2Cuk斩波原理CUK斩波电路的原理图和等效图如下所示。电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时（图b中开关接B），E—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。当V处于断态时（图b中开关接A），E—L1—C2—D回路和负载图2.2R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即（为V处于通态的时间，为V处于断态的时间）由此可得：假设电容C很大使电容电压的脉动足够小。当开关S合到B点时，B点电压=0，A点电压；当S合到A点时，，=0。因此，B点电压的平均值为（为电容电压的平均值），又因电感的电压平均值为零，所以。另一方面，A点的电压平均值为，且的电压平均值为零，按上图（b）中输出电压的极性，有。于是可得出输出电压与电源电压E的关系为：2.3仿真模型使用模板的参数设置IGBT与Diode、电压测量、电流测量等均采用默认设置。增益模块Gain，设置Gain=-1。电源电压E=100V，电阻R=30Ω，滤波电容C=5uF，储能电感L=2mH，L1=2mH，储能电容C1=1.5uF。IGBT的开关频率为16.6667kHz。④脉冲信号发生器PulseGenerator的设置。“Pulsetype”脉冲类型，设置为Timebased（时间基准）。“Time”时间，设置为Usesimulationtime（用仿真时间）。“Amplitude”脉冲幅值，设置为1.1。“Period”周期，设置为0.06e-3，对应着IGBT的开关频率。“PulseWidth”脉冲宽度。根据IGBT的开关特性，设置脉冲宽度为40时，输出电压为66.67V。当设置为60时，输出电压为150V。IGBT参数设置图在仿真参数设置里，仿真算法必须选择ode45，设置仿真开始时间为0.0194s，停止时间为0.0208s，其他参数采用默认设置。仿真参数图2.4电路分析Cuk直流斩波器工作的几个电流通路。当IGBT导通时，电源Us经电感L→IGBT回路给L充电储能，同时储能电容C1经IGBT→负载→L1回路向负载R放电，负载电压极性为下正上负。当IGBT关断时，电源Us经电感L→电容C1→二极管回路给C1充电（回路电流Ilc1）电容C1上电压极性左正右负，同时，电感L1经二极管→负载R放电，负载电压极性下正上负。在图2.2中，四个电流测量分流器A、A1、A2、A3，对应四个电流i、i1、i2、i3，显然有下面的关系A→i=il+ic1；A1→i1=+il+ilc1A2→i2=ic+il1A3→i3=ilc1+il13MATLAB/SIMULINK基础知识3.1MATLAB介绍Matlab(MatrixLaboratory)是美国MathWorks公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能[2]。3.2MATLAB的主要组成部分MATLAB系统由5个主要的部分构成：(1)开发环境(DevelopmentEnvironment)：微MATLAB用户或程序编制员提供的一套应用工具和设施。由一组图形化用户接口工具和组件集成：包括MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器。(2)MATLAB数学函数库(MathFunctionLibrary)：数学和分析功能在MATLAB工具箱中被组织成8个文件夹。

elmat初步矩阵，和矩阵操作。

elfun初步的数学函数。求和、正弦、余弦和复数运算等

specfun特殊的数学函数。矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等；

matfun矩阵函数－用数字表示的线性代数。

atafun数据分析和傅立叶变换。

polyfun插值，多项式。

funfun功能函数。

sparfun稀疏矩阵。(3)MATLAB语言：(MATLABLanguage)一种高级编程语言（高阶的矩阵/数组语言），包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；(4)句柄图形：(HandleGraphics)MATLAB制图系统具有2维、三维的数据可视化，图象处理，动画片制作和表示图形功能。可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制。允许你建造完整的图形用户界面（GUI），以及建立完整的图形界面的应用程序。制图法功能在MATLAB工具箱中被组织成5个文件夹：二维数图表（graph2d）、三维图表（graph3d）专业化图表（specgraph）、制图法（graphics）、图形用户界面工具（uitools）。(5)应用程序接口：(AppliedFunctionInterface)MATLAB的应用程序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接。3.3SIMULINK的模块库介绍整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组(Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables)、信号与系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。3.4SIMULINK功能模块的处理功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。1．模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。2．在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。（1）移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。（2）复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。（3）删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。（4）转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择FlipBlock旋转180度，选择RotateBlock顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行FlipBlock，按Ctrl+R键执行RotateBlock。（5）改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。（6）模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的FlipName来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。HideName可以隐藏模块名称。（7）颜色设定：Format菜单中的ForegroundColor可以改变模块的前景颜色，BackgroundColor可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过ScreenColor来改变。（8）参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。（9）属性设定：选中模块，打开Edit菜单的BlockProperties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、Priority优先级属性、Tag属性、Openfunction属性、Attributesformatstring属性。其中Openfunction属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。（10）模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。3.5SIMULINK线的处理SIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。所画的线可以改变粗细、设定标签，也可以把线折弯、分支。1．改变粗细：线所以有粗细是因为线引出的信号可以是标量信号或向量信号，当选中Format菜单下的WideVectorLines时，线的粗细会根据线所引出的信号是标量还是向量而改变，如果信号为标量则为细线，若为向量则为粗线。选中VectorLineWidths则可以显示出向量引出线的宽度，即向量信号由多少个单一信号合成。2．设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入该线的说明标签。也可以通过选中线，然后打开Edit菜单下的SignalProperties进行设定，其中signalname属性的作用是标明信号的名称，设置这个名称反映在模型上的直接效果就是与该信号有关的端口相连的所有直线附近都会出现写有信号名称的标签。3．线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可以改变线的形状。4．线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。3.6SIMULINK仿真的运行构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。1．设置仿真参数和选择解法器设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。WorkspaceI/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。（1）Solver页此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。=1\*GB3①仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。=2\*GB3②仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。ode45：缺省值，四/五阶龙格－库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。ode23：二/三阶龙格－库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。ode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，TR-BDF2是具有两个阶段的隐式龙格－库塔公式。discrete：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。ode4：四阶龙格－库塔法，具有一定的计算精度。ode3：固定步长的二/三阶龙格－库塔法。ode2：改进的欧拉法。ode1：欧拉法。discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离散无连续状态的系统。=3\*GB3③步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。Maximumstepsize（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间/50”，即整个仿真过程中至少取50个取样点，但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真。一般建议对于仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对于超过15s的每秒至少保证5个采样点，对于超过100s的，每秒至少保证3个采样点。Initialstepsize（初始步长参数）：一般建议使用“auto”默认值即可。=4\*GB3④仿真精度的定义（对于变步长模式）Relativetolerance（相对误差）：它是指误差相对于状