巧用Matlab仿真DC-DC变换器
一、引言 案例学习法是选择合适、恰当、典型的案例进行讲授的，可 极大地调动起学生强烈的求知欲 [1-2] 。而 Matlab 软件有强大的 仿真功能，可直观地再现电路的基本定律、定理，以及电路的响 应曲线、特性分析，效果非常动态、形象。比较难理解的推导过 程，通过 Matlab 仿真，即可轻松掌握 [3] 。因此可将 Matlab 与 所学课程融合起来，尽量减少理论推导，着重培养学生利用 Matlab 去分析解决问题，加强实践锻炼，开拓思路，开阔思维， 全面锻炼其能力。
二、案例学习法的应用实践 在课堂学习中采用案例学习法， 一上课， 老师就抛出一个精 心挑选的具体案例， 提出需要解决的问题， 一下就抓住学生的眼 球，激发起学生的认知兴趣和情感， 充分调动起学生的积极性和 兴趣；然后由师生共同分析讨论，层层剖析需要解决的问题，启 发学生的思维， 让学生用最短的时间和精力投入到学习最佳状态 中；接下来找出合适的方法，解决问题。下面列举一个实际案例 讲解。
1.
提出问题，引入案例。试设计一个变换器电路，要求输入 电
压为3〜6V的不稳定直流电压，输出为稳定的 15V直流电压。 要求纹波电压低于0.2%，负载电阻为10Q。
2.
分析讨论，剖析案例。师生共同就提出的问题进行讨论、 分
析，得知该电路是一个DC-DC升压变换器。师生共同设计电路 如图1所示。Us为输入电压，大小为3〜6V, Uo为输出电压。 通过开关管T的控制作用，来实现升压变换。输入侧电压串接大 电感，是电流源性质，输出侧负载电阻上并联大电容，是电压源 性质。开关管选用MOSFET开关频率选为40KHN电路中其他元 件参数如下：
占空比调节范围：
Uo/Us=15/6=1/（1-DCmin） DCmin=0.6 （1）
Uo/Us=15/3=1/（1-DCmax） DCmax=0.8 （2） 临界电感值：
Lc=R/2*DCmin（1-DCmin）2*Ts=10/2*0.6
（1-0.6 ） 2*1/4000=12 卩 H （3）
实际电感值取临界值的1.2倍，因此L取15卩Ho 根据纹波要求计算电容值：
C=Vo*Dcmax*Ts/R^ Vo=15*0.8/10*0.002*15*
4000=1mF （4） 实际中所取电容值应该有一个裕量，在本例中不再留裕量， 电容就直接取 1mFo
3.
巧用Matlab仿真案
例，解决问题。（1 ）建立仿真模型。 根据题意要求建立仿真模型，
所建立的仿真模型如
图2所示。在
Matlab 软件的“ Simulink ”库以及“ SimPowerSystemS 中提取
所需的模块。
主电路仿真设计步骤：在“ SimPowerSystems/Electrical
Sources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将 6V中的任意一个值；然后在“ Power Electronics ”库中选择
“Mosfet ”和“ Diode”模块，导通电阻设为 “Diode”的压降设为0.8 ;在“ Elements”库中选串联 RLC支 路模块，分别设为 R=10Q、L=15uH C=1mF控制？路仿真设计 步骤：在“ Simlink/Sourc es ”库中选择“ Pulse Generator ” 模块，幅值设为 1 ，周期设为 25e-6s ，占空比设为 60%，其他为 默认值。波形观测的设计：在 Simlink/Signal Routing 库中选 择“ Bus Selector ”模块，连接“ Mosfet ”和“ Diode ” 的观测 端口，将“ Bus Selector ”设为测试电流［4］。设“ Scope”为6 输入通道。在“ SimPowerSystems/Extra
Library/Measyrements ”里选取“ Mean Value” ，将其设置为 20e-6s ，在“ Simlink/Sinks ”里选取“ Display ”， 则可求输出 电压平均值并显示。（ 2）分析仿真结果。仿真时间设为
仿真算法选择ode23t。运行仿真，可得电路 Uo的仿真波形。Uo 的平均值测量：设输入电压为 6V,占空比60%寸输出Uo平均值 如图2中所示，为14.99V。Uo的波形分析：电压 Uo上升阶段， 电容电流为一个不断减
小
的
正
值
，
因
此
U
o虽上升，但上升率却
US设
0.00000001，其
不断减小；下降阶段，电容电流是一个恒定的负值，因此
恒定的斜率下降。若需要Uo波形，了解变换器何时有稳定的 Uo. 这就需要绘制其完整 Uo波形。方法如下：将数据存入 Workspace 中，命名为ScopeData，点击ScopeData，即出现一对话框，点 击其中Uo的信息，点击图标
（plot （ScopeData.signals （1， 4）.values ），即可绘制 出图3所示输出电压Uo的完整波形。Uo的纹波分析：输出电压 有纹波，但纹波值很小。纹波的计算：输入
Uomax=15.0105V Uomin=14.977V，平均值为 14.99V，则纹波电 压为 0.22%，比要求的纹波大一点，这可通过加大电容值使电压 纹波满足要求。
三、学习效果显著增强 选择合适的方法对增强课堂学习效果起着举足轻重的作用
[5] 。采用案例学习法，借助 Matlab 仿真软件，理论联系实际， 通过提出问题， 层层剖析问题， 师生共同讨论， 把同学们的疑惑， 通过仿真， 直观地将过程和结果呈现出来， 便于学生与教师沟通 交流，大大提高了学生的听课热情，调动了课堂气氛，促进了学 生主动参与课堂的积极性， 激发了学习兴趣， 增强了课堂的听课 效果。该案例在我们 14 级两个电气工程及其自动化班进行了课 堂实践，约 99%的学生喜欢该方法。这种学习方式直观、形象， 易于知识的掌握，明显优于传统的学习方法。
6V时，
