Matlab/Simulink在DCDC变换器仿真中的应用

摘 要：DCDC变换器广泛应用于通讯、计算机、工业设备和家用电器等领域。对其仿真具有重要的意义。然而在使用传统电路仿真软件对其进行电路仿真时，实际情况并不理想，且仿真速度也相当慢。Matlab/Simulink作为国际上较为流行的用来对动态系统进行建模、仿真与分析的软件包，在对DCDC变换器电路进行仿真时显现出巨大优势。通过对Buck变换器开关过程的分析，应用Matlab/Simulink的3种方法对其进行仿真。最后通过仿真波形进行比较，其结果是一致，且与理论相符。可见Matlab/Simulink适合于在DCDC变换器仿真中应用。应用Matlab/Simulink对DCDC变换器进行仿真是一次创新，其大大提高了仿真效率。

关键词：DCDC变换器；Buck；仿真效率；Matlab；Simulink

中图分类号：TP391;TN86 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1802303

Application of Matlab/Simulink in the Simulation of DCDC Converter

ZHU Chunhua1,WANG Jianguo2

(1.Shandong College of Electronic Technology,Ji′nan,250014,China;2.Shandong Radio & TV Monitoring Center,Ji′nan,250062,China)

Abstract：DCDC converter is widely used in communication,computers,industrial equipment and household appliances.Therefore its simulation is of most importance.However when the traditional simulation soft wares are used in the simulation of DCDC converter,the simulation circumstance is not perfect in fact and the simulation speed is very slow.Matlab/Simulink is a soft ware used popularly in the modeling,simulation and analyzing of dynamic system internationally.It also shows much advantage when used in the simulation of DCDC converter.By analyzing the switching process of buck converter,its simulation is finished with three methods of Matlab/Simulink.At last,the simulation results are consistent and correspond to theory by comparing the waveforms of simulation results.Obviously,Matlab/Simulink is suitable for the simulation of DCDC converter.The application of Matlab/Simulink in the simulation of DCDC converter is an innovation,which greatly improves the efficiency of the simulation.

Keywords：DCDC converter;Buck;simulation etficiency;Matlab;Simulink

1 Simulink在DCDC变换器仿真中的意义

计算机仿真在DCDC变换器设计中起着很重要的作用。设计者利用计算机仿真可以对电路工作情况进行模拟，论证设计方案的可行性，找出设计中存在的问题，得到改进方法，这样既可以避免不必要的损失，节约新产品的开发成本，又可缩短新产品的开发周期。

现在市场上的电路仿真软件品种很多，其中Spice因其友好的图形界面，强大的功能库，在电路仿真时得到广泛的应用。然而在使用该软件对DCDC变换器进行电路仿真时，实际情况并不理想，因为Spice在对变换器电路的电路及其对控制器仿真很困难，其仿真速度也相当得慢，而且不能处理复杂的电路。相对来说Simulink作为国际上较为流行的用来对动态系统进行建模、仿真与分析的软件包，它支持离散、连续或者是两者混合的线性和非线性系统，在对DCDC变换器电路仿真时同样具有很大优势。近年来，人们对如何利用Simulink对DCDC变换器进行仿真进行深入的研究和探讨，其实际应用效果也比较理想。

本文以最基本也是最常用的一种DCDC变换器即Buck变换器为例，对Buck电路的开关过程进行分析,采用Matlab/Simulink的3种方法进行建模和仿真。文中所采用的几种分析方法和建模思想可以推广到Boost，BuckBoost，Cuk及其他拓扑电路中。

2 Buck电路的开关过程分析

Buck电路的基本拓扑电路如图1所示。Buck变化器有电感电流连续（CCM）和电感电流断续（DCM）2种工作模式。这里仅对CCM模式进行分析和仿真，但该思想和方法也可用于DCM模式中。在CCM模式下，电路工作过程分VT导通和关断2个阶段。VT导通时为电感L储能阶段，此时电源向电感及负载提供能量，VT关断时电感L释放能量供负载工作。在CCM模式下，Buck电路的工作情况如图2所示，图2（a）为VT导通时的拓扑电路，图2（b）为VT关断时的拓扑电路。

图1 Buck电路图图2 Buck电路的拓扑电路3 Buck电路的三种仿真方法

3.1 状态空间平均法

从图2的拓扑电路中，可以分别写出Buck变换器导通和关断2个阶段的状态方程。在1个开关周期内用状态空间平均法可以得到1个关于输出电压和开关频率的非线性状态方程。

VT导通时的状态方程为：ИИddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+1L

0Ui（1）

VT关断时的状态方程为：ИИddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+0

0Ui（2）

对式（1）和式（2）用时间平均得到：ИИddtIL

Uo=0－1L

1C－1RCIL

Uo+DL

0Ui（3）

式（3）中，Uo代表输出电压；D代表占空比；IL代表电感电流；UiТ表输入电压。

用Simulink进行数学建模如图3所示。该模型中k=D/L；k1=1/C；k2=1/RC；k3=1/L。

Constant代表输入电压。模型上半部分为电感电流iL的状态方程的模型实现，下半部分是关于电容电压uCУ淖刺方程的模型实现。其仿真结果见图4(a)。

图3 状态空间平均法的Buck变换器仿真模型图4 仿真结果波形图3.2 电路分析法

电路分析法就是对Buck电路的导通和关断的2个阶段分别应用电路理论，对节点应用节点电流分析，对回路采用回路电压分析法分析。然后，结合它的工作过程应用Simulink对其进行建模。

应用KCL和KVL对Buck变换器列写电路方程：

VT导通状态下：ИLdiLdt=ui－uc

Cducdt=iL－ucRo(4)

VT关断状态下：ИLdiLdt=－uc

Cducdt=iL－ucRo (5)

考虑到D的影响，D×式(4)+(1－D)×式(5)，У茫邯ИLdiLdt=Dui－uC

iL=CduCdt+uCRo(6)

由于电感电流过零后不能变负，所以使用Switch模版。其仿真模型如图5所示。

图5 电路分析法的Buck变换器仿真模型图5中左半部分实现占空比对输入电压调制的模型实现，同状态空间平均法的Buck变换器仿真模型。上半部分为电感电流iLУ淖刺方程的模型实现，下半部分是关于电容电压uCУ淖刺方程的模型实现。其仿真结果见图4(b)。

3.3 基于Matlab/Power System Blockset的方法

Power System Blockset为Simulink中的一个模块库，它提供了电力系统和电力电子电路仿真时所需要的丰富的元件库。其基本建模思想是使用模块中直接给出的电学元件根据实际电路进行建模，仿真模型与实际电路相似。

使用Power System Blockset对Buck变换器建立模型如图6所示：

图6 Matlab/Power System Blockset的Buck变换器仿真模型ideal switch为模拟MOS管的理想开关，右侧的i，v分别用于测量iL和uCУ氖值，i需要串联于电路中，v需要并联于电路中。其仿真结果见图4（c）。

3.4 仿真结果

对以上3种模型分别进行仿真，仿真波形如图4所示（图4中横坐标为t/s,纵坐标为Uo・iL/V・A）。仿真参数为：d=0.4；L=200 μH；C=50 μF；R=5 Ω；f=10 kHz。

通过比较可以看出3种仿真结果的波形基本相同，第3种模型的仿真结果与前2种模型的仿真结果差别较大是由于第三种模型中的器件有一定的寄生电容和寄生电阻所造成。并且从波形很容易看出，该结果与理论计算的结果相一致，可见建立的模型是正确的。

4 结 语

本文通过应用Matlab/Simulink对Buck变换器进行建模，应用3种方法。在这3种方法中，前2种方法具有很大的相似性，实际上是通过对电路工作过程的分析来建模，工作过程比较清晰，而第三种方法是直接应用模块来搭建，比较直观和方便，但是仿真时间较前两种方法要长些。

在电路设计中，利用仿真模型，将会更有效地加快可调功率变换器的设计，特别是当控制参数和变换器的元件值变化时。利用Matlab/Simulink进行仿真工作，突破传统的仿真方法需要大量繁琐的编程调试工作，使用户不必对计算机系统本身赋予更多的精力，而将主要精力集中在课题本身。基于Matlab/Simulink建模方式的仿真方法值得大力推广。

参 考 文 献

［1］张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［2］杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］陆治国.电源的计算机仿真技术［M］.北京：科学出版社，2001.

［4］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［5］薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［6］陈在平，杜太行.控制系统计算机仿真与CADMatlab语言应用［M］.天津：天津大学出版社，2001.

作者简介 朱春华 女，1981年出生，硕士。

王建国 男，1978年出生，在读硕士研究生。

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