PAGE2PAGE3JIU電力電子技術課程設計題目Cuk斬波的MATLAB仿真院系電子工程學院專業自動化姓名學號指導教師張波2013年摘要將一直流電壓變換為另一固定或可調的直流電壓的變換叫做直流—直流（DC/DC）變換，電路多使用具有自關斷能力的GTO、P-MOSFET與IGBT全控型器件。這些電力電子器件工作在開關狀態，即將直流電壓斷續地加到負載上,通過改變電壓加在負載上的時間與停歇的時間來改變負載上電壓的平均值。DC/DC變換器又叫做斬波器或直流斷續器或直流調壓器，它以體積小、質量小、效率高等優點被廣泛用于干線鐵道、工礦與城市地鐵的電力機車牽引調速、電瓶搬運車、鏟車、通信系統電源、計算機系統使用直流斬波技術，不僅可以實現調壓功能，而且還可以達到改善網側諧波和提高功率因素的目的。直流斬波技術主要應用于已具有直流電源需要調節直流電壓的場合。關鍵字：MATLAB；CUK斬波；電力電子技術摘要 21課程設計的目的 42課程設計原理圖 42.1IGBT工作原理 42.2Cuk斬波原理 52.3仿真模型使用模板的參數設置 62.4電路分析 83MATLAB/SIMULINK基礎知識 93.1MATLAB介紹 93.2MATLAB的主要組成部分 93.3SIMULINK的模塊庫介紹 103.4SIMULINK功能模塊的處理 103.5SIMULINK線的處理 113.6SIMULINK仿真的運行 124課程設計仿真圖 155心得體會 166參考文獻 16PAGE41課程設計的目的通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：(1)培養學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料；(2).培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力；(3).培養學生運用知識的能力和工程設計的能力；(4).提高學生課程設計報告撰寫水平；(5).提高學生通過實驗測試、研究分析和完善設計的水平。2課程設計原理圖2.1IGBT工作原理IGBT是三端器件，具有柵極G，集電極C和發射極E。IGBT由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融合了這兩種器件的優點，既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點，有具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率范圍內，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛運用，在較高頻率的大、中功率應用中占據主導地位IGBT的等效電路如圖所示，由圖1知，若在IGBT的柵極G和發射極E之間加上驅動電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極直接電壓為0V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制器件，在它柵極G一發射極E間施加十幾V的直流電壓，只有在Ua極漏電極電流流過，基本上不消耗2.2Cuk斬波原理CUK斬波電路的原理圖和等效圖如下所示。電路的基本工作原理是：當可控開關V處于通態時（圖b中開關接B），E—L1—V回路和負載R—L2—C2—V回路分別流過電流。當V處于斷態時（圖b中開關接A），E—L1—C2—D回路和負載圖2.2R—L2—D回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性相反穩態時電容C的電流在一周期內的平均值應為零，也就是其對時間的積分為零，即（為V處于通態的時間，為V處于斷態的時間）由此可得：假設電容C很大使電容電壓的脈動足夠小。當開關S合到B點時，B點電壓=0，A點電壓；當S合到A點時，，=0。因此，B點電壓的平均值為（為電容電壓的平均值），又因電感的電壓平均值為零，所以。另一方面，A點的電壓平均值為，且的電壓平均值為零，按上圖（b）中輸出電壓的極性，有。于是可得出輸出電壓與電源電壓E的關系為：2.3仿真模型使用模板的參數設置IGBT與Diode、電壓測量、電流測量等均采用默認設置。增益模塊Gain，設置Gain=-1。電源電壓E=100V，電阻R=30Ω，濾波電容C=5uF，儲能電感L=2mH，L1=2mH，儲能電容C1=1.5uF。IGBT的開關頻率為16.6667kHz。④脈沖信號發生器PulseGenerator的設置?！癙ulsetype”脈沖類型，設置為Timebased（時間基準）。“Time”時間，設置為Usesimulationtime（用仿真時間）?！癆mplitude”脈沖幅值，設置為1.1。“Period”周期，設置為0.06e-3，對應著IGBT的開關頻率。“PulseWidth”脈沖寬度。根據IGBT的開關特性，設置脈沖寬度為40時，輸出電壓為66.67V。當設置為60時，輸出電壓為150V。IGBT參數設置圖在仿真參數設置里，仿真算法必須選擇ode45，設置仿真開始時間為0.0194s，停止時間為0.0208s，其他參數采用默認設置。仿真參數圖2.4電路分析Cuk直流斬波器工作的幾個電流通路。當IGBT導通時，電源Us經電感L→IGBT回路給L充電儲能，同時儲能電容C1經IGBT→負載→L1回路向負載R放電，負載電壓極性為下正上負。當IGBT關斷時，電源Us經電感L→電容C1→二極管回路給C1充電（回路電流Ilc1）電容C1上電壓極性左正右負，同時，電感L1經二極管→負載R放電，負載電壓極性下正上負。在圖2.2中，四個電流測量分流器A、A1、A2、A3，對應四個電流i、i1、i2、i3，顯然有下面的關系A→i=il+ic1；A1→i1=+il+ilc1A2→i2=ic+il1A3→i3=ilc1+il13MATLAB/SIMULINK基礎知識3.1MATLAB介紹Matlab(MatrixLaboratory)是美國MathWorks公司開發的一套高性能的數值分析和計算軟件，用于概念設計,算法開發,建模仿真,實時實現的理想的集成環境，是目前最好的科學計算類軟件之一。MATLAB將矩陣運算、數值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學及工程問題的分析計算和程序設計工具，它還提供了專業水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發平臺。MATLAB已發展成為適合眾多學科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。在歐美等國家的高校，MATLAB已成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真等高級課程的基本教學工具。成為攻讀學位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業開發部門，MATLAB被廣泛的應用于研究和解決各種具體問題。在中國，MATLAB也已日益受到重視，短時間內就將盛行起來，因為無論哪個學科或工程領域都可以從MATLAB中找到合適的功能[2]。3.2MATLAB的主要組成部分MATLAB系統由5個主要的部分構成：(1)開發環境(DevelopmentEnvironment)：微MATLAB用戶或程序編制員提供的一套應用工具和設施。由一組圖形化用戶接口工具和組件集成：包括MATLAB桌面、命令窗口、命令歷史窗口、編輯調試窗口及幫助信息、工作空間、文件和搜索路徑等瀏覽器。(2)MATLAB數學函數庫(MathFunctionLibrary)：數學和分析功能在MATLAB工具箱中被組織成8個文件夾。

elmat初步矩陣，和矩陣操作。

elfun初步的數學函數。求和、正弦、余弦和復數運算等

specfun特殊的數學函數。矩陣求逆、矩陣特征值、貝塞爾函數等；

matfun矩陣函數－用數字表示的線性代數。

atafun數據分析和傅立葉變換。

polyfun插值，多項式。

funfun功能函數。

sparfun稀疏矩陣。(3)MATLAB語言：(MATLABLanguage)一種高級編程語言（高階的矩陣/數組語言），包括控制流的描述、函數、數據結構、輸入輸出及面對對象編程；(4)句柄圖形：(HandleGraphics)MATLAB制圖系統具有2維、三維的數據可視化，圖象處理，動畫片制作和表示圖形功能?？梢詫Ω鞣N圖形對象進行更為細膩的修飾和控制。允許你建造完整的圖形用戶界面（GUI），以及建立完整的圖形界面的應用程序。制圖法功能在MATLAB工具箱中被組織成5個文件夾：二維數圖表（graph2d）、三維圖表（graph3d）專業化圖表（specgraph）、制圖法（graphics）、圖形用戶界面工具（uitools）。(5)應用程序接口：(AppliedFunctionInterface)MATLAB的應用程序接口允許用戶使用C或FORTRAN語言編寫程序與MATLAB連接。3.3SIMULINK的模塊庫介紹整個Simulink模塊庫是由各個模塊組構成，標準的Simulink模塊庫中，包括：信號源模塊組(Source)、儀器儀表模塊組(Sinks)、連續模塊組(Continuous)、離散模塊組(Discrete)、數學運算模塊組(Math)、非線性模塊組(Nonlinear)、函數與表格模塊組(Function&Tables)、信號與系統模塊組(Signals&Systems)和子系統模塊組(Subsystems)幾個部分，此外還有和各個工具相與模塊集之間的聯系構成的子模塊組，用戶還可以將自己編寫的模塊組掛靠到整個模型庫瀏覽器下。3.4SIMULINK功能模塊的處理功能模塊的基本操作，包括模塊的移動、復制、刪除、轉向、改變大小、模塊命名、顏色設定、參數設定、屬性設定、模塊輸入輸出信號等。1．模塊庫中的模塊可以直接用鼠標進行拖曳（選中模塊，按住鼠標左鍵不放）而放到模型窗口中進行處理。2．在模型窗口中，選中模塊，則其4個角會出現黑色標記。此時可以對模塊進行以下的基本操作。（1）移動：選中模塊，按住鼠標左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進行拖曳。（2）復制：選中模塊，然后按住鼠標右鍵進行拖曳即可復制同樣的一個功能模塊。（3）刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以同時按住Shift鍵，再用鼠標選中多個模塊，按Delete鍵即可。也可以用鼠標選取某區域，再按Delete鍵就可以把該區域中的所有模塊和線等全部刪除。（4）轉向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時需要轉向。在菜單Format中選擇FlipBlock旋轉180度，選擇RotateBlock順時針旋轉90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執行FlipBlock，按Ctrl+R鍵執行RotateBlock。（5）改變大小：選中模塊，對模塊出現的4個黑色標記進行拖曳即可。（6）模塊命名：先用鼠標在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的FlipName來實現，也可以直接通過鼠標進行拖曳。HideName可以隱藏模塊名稱。（7）顏色設定：Format菜單中的ForegroundColor可以改變模塊的前景顏色，BackgroundColor可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過ScreenColor來改變。（8）參數設定：用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數設定窗口，從而對模塊進行參數設定。參數設定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點擊其上的help按鈕。通過對模塊的參數設定，就可以獲得需要的功能模塊。（9）屬性設定：選中模塊，打開Edit菜單的BlockProperties可以對模塊進行屬性設定。包括Description屬性、Priority優先級屬性、Tag屬性、Openfunction屬性、Attributesformatstring屬性。其中Openfunction屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數名，則當該模塊被雙擊之后，Simulink就會調用該函數執行，這種函數在MATLAB中稱為回調函數。（10）模塊的輸入輸出信號：模塊處理的信號包括標量信號和向量信號；標量信號是一種單一信號，而向量信號為一種復合信號，是多個信號的集合，它對應著系統中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數模塊的輸出都為標量信號，對于輸入信號，模塊都具有一種“智能”的識別功能，能自動進行匹配。某些模塊通過對參數的設定，可以使模塊輸出向量信號。3.5SIMULINK線的處理SIMULINK模型的構建是通過用線將各種功能模塊進行連接而構成的。用鼠標可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線。所畫的線可以改變粗細、設定標簽，也可以把線折彎、分支。1．改變粗細：線所以有粗細是因為線引出的信號可以是標量信號或向量信號，當選中Format菜單下的WideVectorLines時，線的粗細會根據線所引出的信號是標量還是向量而改變，如果信號為標量則為細線，若為向量則為粗線。選中VectorLineWidths則可以顯示出向量引出線的寬度，即向量信號由多少個單一信號合成。2．設定標簽：只要在線上雙擊鼠標，即可輸入該線的說明標簽。也可以通過選中線，然后打開Edit菜單下的SignalProperties進行設定，其中signalname屬性的作用是標明信號的名稱，設置這個名稱反映在模型上的直接效果就是與該信號有關的端口相連的所有直線附近都會出現寫有信號名稱的標簽。3．線的折彎：按住Shift鍵，再用鼠標在要折彎的線處單擊一下，就會出現圓圈，表示折點，利用折點就可以改變線的形狀。4．線的分支：按住鼠標右鍵，在需要分支的地方拉出即可以?；蛘甙醋trl鍵，并在要建立分支的地方用鼠標拉出即可。3.6SIMULINK仿真的運行構建好一個系統的模型之后，接下來的事情就是運行模型，得出仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數，啟動仿真和仿真結果分析。1．設置仿真參數和選擇解法器設置仿真參數和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數。Solver頁，它允許用戶設置仿真的開始和結束時間，選擇解法器，說明解法器參數及選擇一些輸出選項。WorkspaceI/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級。（1）Solver頁此頁可以進行的設置有：選擇仿真開始和結束的時間；選擇解法器，并設定它的參數；選擇輸出項。=1\*GB3①仿真時間：注意這里的時間概念與真實的時間并不一樣，只是計算機仿真中對時間的一種表示，比如10秒的仿真時間，如果采樣步長定為0.1，則需要執行100步，若把步長減小，則采樣點數增加，那么實際的執行時間就會增加。一般仿真開始時間設為0，而結束時間視不同的因素而選擇?？偟恼f來，執行一次仿真要耗費的時間依賴于很多因素，包括模型的復雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。=2\*GB3②仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個下拉選項框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個下拉選項框中選擇對應模式下仿真所采用的算法。變步長模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。ode45：缺省值，四/五階龍格－庫塔法，適用于大多數連續或離散系統，但不適用于剛性（stiff）系統。它是單步解法器，也就是，在計算y(tn)時，它僅需要最近處理時刻的結果y(tn-1)。一般來說，面對一個仿真問題最好是首先試試ode45。ode23：二/三階龍格－庫塔法，它在誤差限要求不高和求解的問題不太難的情況下，可能會比ode45更有效。也是一個單步解法器。ode113：是一種階數可變的解法器，它在誤差容許要求嚴格的情況下通常比ode45有效。ode113是一種多步解法器，也就是在計算當前時刻輸出時，它需要以前多個時刻的解。ode15s：是一種基于數字微分公式的解法器（NDFs）。也是一種多步解法器。適用于剛性系統，當用戶估計要解決的問題是比較困難的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。ode23s：它是一種單步解法器，專門應用于剛性系統，在弱誤差允許下的效果好于ode15s。它能解決某些ode15s所不能有效解決的stiff問題。ode23t：是梯形規則的一種自由插值實現。這種解法器適用于求解適度stiff的問題而用戶又需要一個無數字振蕩的解法器的情況。ode23tb：是TR-BDF2的一種實現，TR-BDF2是具有兩個階段的隱式龍格－庫塔公式。discrete：當Simulink檢查到模型沒有連續狀態時使用它。固定步長模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。ode5：缺省值，是ode45的固定步長版本，適用于大多數連續或離散系統，不適用于剛性系統。ode4：四階龍格－庫塔法，具有一定的計算精度。ode3：固定步長的二/三階龍格－庫塔法。ode2：改進的歐拉法。ode1：歐拉法。discrete：是一個實現積分的固定步長解法器，它適合于離散無連續狀態的系統。=3\*GB3③步長參數：對于變步長模式，用戶可以設置最大的和推薦的初始步長參數，缺省情況下，步長自動地確定，它由值auto表示。Maximumstepsize（最大步長參數）：它決定了解法器能夠使用的最大時間步長，它的缺省值為“仿真時間/50”，即整個仿真過程中至少取50個取樣點，但這樣的取法對于仿真時間較長的系統則可能帶來取樣點過于稀疏，而使仿真結果失真。一般建議對于仿真時間不超過15s的采用默認值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個采樣點，對于超過100s的，每秒至少保證3個采樣點。Initialstepsize（初始步長參數）：一般建議使用“auto”默認值即可。=4\*GB3④仿真精度的定義（對于變步長模式）Relativetolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀