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摘要：波形分析法是电力电子技术分析电路工作原理的传统的常用方法，在教学中引入MATLAB软件，利用Simulink可以对各类变换电路进行建模和仿真，以方便地观测电路波形并观察电路参数变化对电路波形的影响，从而研究电路工作特性。针对DC-DC变换器中的Buck变换器，建立了其基本电路和电压控制模式下的闭环状态的仿真模型，进行了仿真实验教学内容的设计，进行了仿真并给出了部分仿真结果。结果表明，给出的仿真模型可以满足研究Buck电路工作特性的要求，实验设计有助于培养学生自主研究性学习能力。
关键词：DC-DC变换器；MATLAB：仿真；实验教学
作者简介：龚立娇（1978-），女，新疆昌吉人，石河子大学机械电气工程学院，讲师，石河子大学“263”人才培养计划青年骨干教师；岑红蕾（1975-），女，新疆奎屯人，石河子大学机械电气工程学院，副教授。（新疆 石河子 832003）
基金项目：本文系石河子大学“263”青年骨干教师资助项目(项目编号：JD08003)的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）26-0127-02
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气工程及其自动化专业不可缺少的一门专业基础课。电力电子技术所涉及的科学技术近一二十年来的发展十分迅速，已渗透到国民经济各部门，应用范围十分广泛，已成为电气工程学科中最为活跃的一个分支。实验有利于学生掌握理论知识、培养学生的实践动手能力并启发学生的创新意识和创新思维。[1]电力电子技术是一门实践性非常强的应用技术，课程教学过程中虽安排了一定量的实验内容，但由于电力电子技术的特殊性，在实验过程中容易出现器件损坏而影响后续实验的进行，这也使同学增加心理负担，往往在实验中放不开，分析和解决问题的能力较难建立，因此实验效果不好。另外，由于实验设备、器材、经费、场所和人员等制约，难以就所有讲授的变换电路都去做实验，对硬件设备要求较高的复杂的实验往往很难实现更深一步的实践教学，开展研究性实验项目更是无从谈起。针对电力电子技术课程实践教学中存在的问题，课程组从教学内容、教学方法、教学手段等各方面进行了改革，其根本目的是要提高学生学习的主动性，培养学生的应用能力和自主研究的能力。
计算机仿真为电力电子技术的教学及设计提供了一个有效的工具，借助计算机仿真技术，可以弥补实验器材缺乏的不足，减少实验耗材，完成现有实验设备难以实现的复杂实验，缩短实验时间，更加完整地分析实验对象的系统性能指标，优化电路设计，让学生有机会在“做中学，学中做”，从而真正深化这门课程的学习。笔者就MATLAB仿真软件在电力电子技术教学改革实践中的应用进行了研究，对电力电子技术课程的实践教学方法和内容开展了探索性研究。本文重点介绍在DC-DC变换电路实验教学中引入MATLAB开展仿真实验的实验设计，为学生的个性化学习提供便利。
一、MATLAB仿真
目前，MATLAB涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风靡全球的科学计算软件。MATLAB中提供的“SimPowerSystems”是进行电力电子系统仿真的理想工具，与PSPICE和SABER等仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，SimPowerSystems中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。SimPowerSystems模型库中包含常用的电源模块、电力电子器件模块、电机模型以及相应的驱动模块、控制和测量模块，利用这些模块进行电力电子电路系统、电力传动等等仿真，能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。利用电气系统工具箱可以设计“电力电子技术”课程中许多电气系统仿真实验，[2，3]如晶闸管三相桥式整流及有源逆变电路、三相电压源SPWM逆变器、交交变频调速系统等。
二、Buck 变换器仿真实验
DC-DC变换电路是电力电子技术中一个重要的内容，广泛应用于各种开关电源电路中，而Buck电路是DC-DC变换电路中最基本的电路。[4，5]在教材中，通常仅对变换电路的稳定工作过程进行分析。通过设立Buck电路的设计研究性仿真实验可以很好地帮助同学掌握整个电路的工作过程及电感、电容对电路工作的影响。
1.实验的基本原理
实验研究以电压模式控制Buck开关功率变换器[6-9]为例。实验图如图1所示。本实验要求学生通过理论分析、仿真设计，给出一个降压式开关电源设计方案。该实验可为后续进行其他实验内容，如开关电源设计和实际安装、调试等作必要的准备。
2.实验内容
（1）基本电路建模及参数设置：建立Buck主电路仿真模型，如图2所示。模型中，使主电路工作电压Vin为20V，L=20mH，C=47μF，R=22Ω，T=400μS，占空比D=0.4，而开关管IGBT与二极管Diode、电压测量、电流测量等均采用默认设置。
（2）运行仿真。打开仿真/参数窗口，选择ode23tb，将相对误差设置为1e-3，停止时间设置为0.04s，单击工具栏中的开始按钮开始仿真。开环状态电路仿真内容包括：1）电感电流连续情况。电感工作在电流连续情况下，观察并记录电感支路、开关管支路、二极管支路的电流波形，观测负载两端的电压波形，仿真波形如图3所示，可用于理解电路工作过程、理解主电路各回路的电流情况；通过仿真观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，画出曲线，理解主电路的工作原理。用示波器观察输出电压纹波⊿UPP。2）电感电流断续情况。因输入电压、电感、负载电阻等变化都能影响电流连续与否，[11]故在图2所示仿真模型中不妨先保持其他参数不变，而只改变负载电阻值，使电感电流断续，观测电感支路、开关管支路、二极管支路的电流波形，观测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，以理解电路工作过程。观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，理解主电路的工作原理。然后，保持其他参数不变，而只改变图2中串入主电路中电感值（如从1～30mH范围变化），观测电感电流连续点变化情况，图4给出了电感值分别为1mH、3mH、30mH时电感电流的波形图。3）观察二极管的吸收电路对二极管波形的影响。改变二极管模型中吸收电路参数，观察二极管电流及其两端波形尖峰情况的变化。
（3）建立电压控制模式下的闭环状态仿真模型及参数设置：这里采用图1所示的电路结构，创建如图5所示的闭环仿真模型，使主电路工作电压Vin为20V，L=20mH，C=47μF，R=22Ω，其中开关管IGBT和二极管均按默认设置，放大器放大倍数A取8.4，参考电压取11.3V，斜坡电压下限取3.8V，斜坡电压上限取8.2V，斜坡信号的重复周期即开关周期T=400μS。
（4）运行电压控制模式下的Buck电路闭环状态仿真。首先，打开仿真/参数窗口，选择ode23tb，特别注意在这里相对误差需将设置为大于等于1e-4，停止时间设置为0.04s。接着，单击工具栏中的开始按钮开始仿真。具体仿真内容包括：调节主电路输入电压Vi由15V变到35V时，首先观察输出电流与电压的时域图，观测占空比的变化情况及输出电压变化值，以此观察输出电压的稳定性，理解闭环控制原理；其次，画图比较控制电压与斜坡电压的关系；最后，观察参数变化对电路工作性能的影响。图6给出了该仿真模型得出的不同输入电压下的各信号时域波形图。图7给出了该仿真模型得出的不同输入电压下控制电压与斜坡电压的关系图。另外，在图5所示的仿真模型加入，则在仿真中很方便地观察到以电容电压为横坐标、电感电流为纵坐标的相图，从而分析Buck转换器中电路的参数改变引起的分岔和混沌现象，具体仿真结果见图8所示。这里的仿真结果均略去暂态过程。
在教学过程中学生分别对Buck电路开环和闭环状态电路的主要知识点进行仿真练习，通过多次练习使学生加深对基本原理的理解，同时，利用该仿真模型学生对学过的知识亦能融会贯通。
三、结束语
将仿真技术引入实验教学，使实验设计更具创新性，涉及知识面更广。实践证明，通过仿真实验可以激发学生的学习兴趣，促进学生积极查阅资料，进行大量的参数计算、反复仿真验证（或实验），不仅提高了现有实验设备的利用率，而且有利于提高学生对软件的应用能力和科研创新能力。
参考文献：
[1]杨叔子.创新源于实践[J].实验室研究与探索,2004,23(7):1-3.
[2]黄忠霖,黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京:国防工业出版社,2009:1.
[3]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2005.
[4]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,1998.
[5]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2004:12.
[6]Jonathan H.B.Deane,David C.Hamill.Analysis,simulation,and experimental study of chaos in the buck converter[C].Proc.IEEE Power Electron.Specialists Conf.,San Antonio TX,1990:491- 498.
[7]Mario di Bernardo,Franco Garofalo,Luigi Glielmo et al.Switchings,
Bifurcations,and Chaos in DC/DC Converters[J].IEEE Transactions on circuits and systems-I:Fundamental Theory and Applications,1998,45(2):133-141.
[8]王开艳,王春芳,张玲丽.CCM和DCM模式Buck变换器建模与混沌现象仿真[J].系统仿真学报,2008,20(14):3881-3884.
[9]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2004:12.
（责任编辑：王祝萍）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：DC-DC变换器；MATLAB：仿真；实验教学
作者简介：龚立娇（1978-），女，新疆昌吉人，石河子大学机械电气工程学院，讲师，石河子大学“263”人才培养计划青年骨干教师；岑红蕾（1975-），女，新疆奎屯人，石河子大学机械电气工程学院，副教授。（新疆 石河子 832003）
基金项目：本文系石河子大学“263”青年骨干教师资助项目(项目编号：JD08003)的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）26-0127-02
电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气工程及其自动化专业不可缺少的一门专业基础课。电力电子技术所涉及的科学技术近一二十年来的发展十分迅速，已渗透到国民经济各部门，应用范围十分广泛，已成为电气工程学科中最为活跃的一个分支。实验有利于学生掌握理论知识、培养学生的实践动手能力并启发学生的创新意识和创新思维。[1]电力电子技术是一门实践性非常强的应用技术，课程教学过程中虽安排了一定量的实验内容，但由于电力电子技术的特殊性，在实验过程中容易出现器件损坏而影响后续实验的进行，这也使同学增加心理负担，往往在实验中放不开，分析和解决问题的能力较难建立，因此实验效果不好。另外，由于实验设备、器材、经费、场所和人员等制约，难以就所有讲授的变换电路都去做实验，对硬件设备要求较高的复杂的实验往往很难实现更深一步的实践教学，开展研究性实验项目更是无从谈起。针对电力电子技术课程实践教学中存在的问题，课程组从教学内容、教学方法、教学手段等各方面进行了改革，其根本目的是要提高学生学习的主动性，培养学生的应用能力和自主研究的能力。
计算机仿真为电力电子技术的教学及设计提供了一个有效的工具，借助计算机仿真技术，可以弥补实验器材缺乏的不足，减少实验耗材，完成现有实验设备难以实现的复杂实验，缩短实验时间，更加完整地分析实验对象的系统性能指标，优化电路设计，让学生有机会在“做中学，学中做”，从而真正深化这门课程的学习。笔者就MATLAB仿真软件在电力电子技术教学改革实践中的应用进行了研究，对电力电子技术课程的实践教学方法和内容开展了探索性研究。本文重点介绍在DC-DC变换电路实验教学中引入MATLAB开展仿真实验的实验设计，为学生的个性化学习提供便利。
一、MATLAB仿真
目前，MATLAB涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风靡全球的科学计算软件。MATLAB中提供的“SimPowerSystems”是进行电力电子系统仿真的理想工具，与PSPICE和SABER等仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，SimPowerSystems中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。SimPowerSystems模型库中包含常用的电源模块、电力电子器件模块、电机模型以及相应的驱动模块、控制和测量模块，利用这些模块进行电力电子电路系统、电力传动等等仿真，能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。利用电气系统工具箱可以设计“电力电子技术”课程中许多电气系统仿真实验，[2，3]如晶闸管三相桥式整流及有源逆变电路、三相电压源SPWM逆变器、交交变频调速系统等。
二、Buck 变换器仿真实验
DC-DC变换电路是电力电子技术中一个重要的内容，广泛应用于各种开关电源电路中，而Buck电路是DC-DC变换电路中最基本的电路。[4，5]在教材中，通常仅对变换电路的稳定工作过程进行分析。通过设立Buck电路的设计研究性仿真实验可以很好地帮助同学掌握整个电路的工作过程及电感、电容对电路工作的影响。
1.实验的基本原理
实验研究以电压模式控制Buck开关功率变换器[6-9]为例。实验图如图1所示。本实验要求学生通过理论分析、仿真设计，给出一个降压式开关电源设计方案。该实验可为后续进行其他实验内容，如开关电源设计和实际安装、调试等作必要的准备。
2.实验内容
（1）基本电路建模及参数设置：建立Buck主电路仿真模型，如图2所示。模型中，使主电路工作电压Vin为20V，L=20mH，C=47μF，R=22Ω，T=400μS，占空比D=0.4，而开关管IGBT与二极管Diode、电压测量、电流测量等均采用默认设置。
（2）运行仿真。打开仿真/参数窗口，选择ode23tb，将相对误差设置为1e-3，停止时间设置为0.04s，单击工具栏中的开始按钮开始仿真。开环状态电路仿真内容包括：1）电感电流连续情况。电感工作在电流连续情况下，观察并记录电感支路、开关管支路、二极管支路的电流波形，观测负载两端的电压波形，仿真波形如图3所示，可用于理解电路工作过程、理解主电路各回路的电流情况；通过仿真观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，画出曲线，理解主电路的工作原理。用示波器观察输出电压纹波⊿UPP。2）电感电流断续情况。因输入电压、电感、负载电阻等变化都能影响电流连续与否，[11]故在图2所示仿真模型中不妨先保持其他参数不变，而只改变负载电阻值，使电感电流断续，观测电感支路、开关管支路、二极管支路的电流波形，观测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，以理解电路工作过程。观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，理解主电路的工作原理。然后，保持其他参数不变，而只改变图2中串入主电路中电感值（如从1～30mH范围变化），观测电感电流连续点变化情况，图4给出了电感值分别为1mH、3mH、30mH时电感电流的波形图。3）观察二极管的吸收电路对二极管波形的影响。改变二极管模型中吸收电路参数，观察二极管电流及其两端波形尖峰情况的变化。
（3）建立电压控制模式下的闭环状态仿真模型及参数设置：这里采用图1所示的电路结构，创建如图5所示的闭环仿真模型，使主电路工作电压Vin为20V，L=20mH，C=47μF，R=22Ω，其中开关管IGBT和二极管均按默认设置，放大器放大倍数A取8.4，参考电压取11.3V，斜坡电压下限取3.8V，斜坡电压上限取8.2V，斜坡信号的重复周期即开关周期T=400μS。
（4）运行电压控制模式下的Buck电路闭环状态仿真。首先，打开仿真/参数窗口，选择ode23tb，特别注意在这里相对误差需将设置为大于等于1e-4，停止时间设置为0.04s。接着，单击工具栏中的开始按钮开始仿真。具体仿真内容包括：调节主电路输入电压Vi由15V变到35V时，首先观察输出电流与电压的时域图，观测占空比的变化情况及输出电压变化值，以此观察输出电压的稳定性，理解闭环控制原理；其次，画图比较控制电压与斜坡电压的关系；最后，观察参数变化对电路工作性能的影响。图6给出了该仿真模型得出的不同输入电压下的各信号时域波形图。图7给出了该仿真模型得出的不同输入电压下控制电压与斜坡电压的关系图。另外，在图5所示的仿真模型加入，则在仿真中很方便地观察到以电容电压为横坐标、电感电流为纵坐标的相图，从而分析Buck转换器中电路的参数改变引起的分岔和混沌现象，具体仿真结果见图8所示。这里的仿真结果均略去暂态过程。
在教学过程中学生分别对Buck电路开环和闭环状态电路的主要知识点进行仿真练习，通过多次练习使学生加深对基本原理的理解，同时，利用该仿真模型学生对学过的知识亦能融会贯通。
三、结束语
将仿真技术引入实验教学，使实验设计更具创新性，涉及知识面更广。实践证明，通过仿真实验可以激发学生的学习兴趣，促进学生积极查阅资料，进行大量的参数计算、反复仿真验证（或实验），不仅提高了现有实验设备的利用率，而且有利于提高学生对软件的应用能力和科研创新能力。
参考文献：
[1]杨叔子.创新源于实践[J].实验室研究与探索,2004,23(7):1-3.
[2]黄忠霖,黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京:国防工业出版社,2009:1.
[3]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2005.
[4]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,1998.
[5]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2004:12.
[6]Jonathan H.B.Deane,David C.Hamill.Analysis,simulation,and experimental study of chaos in the buck converter[C].Proc.IEEE Power Electron.Specialists Conf.,San Antonio TX,1990:491- 498.
[7]Mario di Bernardo,Franco Garofalo,Luigi Glielmo et al.Switchings,
Bifurcations,and Chaos in DC/DC Converters[J].IEEE Transactions on circuits and systems-I:Fundamental Theory and Applications,1998,45(2):133-141.
[8]王开艳,王春芳,张玲丽.CCM和DCM模式Buck变换器建模与混沌现象仿真[J].系统仿真学报,2008,20(14):3881-3884.
[9]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2004:12.
（责任编辑：王祝萍）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文