基于MATLAB的反激变换器分析与设计毕业设计样本.doc

本科毕业论文(设计)

题　目：
基于MATLAB反激变换器分析与设计

系（院）名称
物理与电子工程学院

专 业 名 称
自动化(职师)

学 生 姓 名
xxx

学 号
xxx

指引教师姓名(职称)
xxx（专家）

教务处制
二〇一四年五月

目 录
引言 2
1 反激变换器理论基本 3
1.1 反激变换器特点 2
1.2 反激变换器工作原理 4
1.3 反激变换器工作模式 2
1.4 反激电路MATLAB仿真建模 5
1.5 反激变换器控制办法 8
2 单端输入多端输出反激变换器设计 8
2.1 设计规定 9
2.2 设计平台 9
2.3 设计流程 9
3 单端输入多端输出反激变换器开环仿真 9
3.1 设计电路系统框图 2
3.2 开环仿真分析 9
3.3 仿真成果分析 12
4 单端输入多端输出反激变换器闭环仿真分析 2
4.1 PID控制 2
4.2 闭环系统仿真框图 13
4.3 Simulink建模 14
4.4 闭环系统仿真 15
结束语 2
参照文献 2
道谢 2
作者简介 18
声 明 20

基于MATLAB反激变换器分析与设计
自动化，xxx

[摘 要] 反激变换器（Flyback Converter）是Buck-Boost变换器派生而来，以Flyback电路（反激电路）为重要对象，本设计是基于MATLAB平台对Flyback电路控制系统进行建模仿真与分析。论文应用MATLAB软件对反激变换器进行电气建模开环仿真，分析反激电路工作模式及输出电压波形变化，验证性能指标与否达标；接着建立闭环控制仿真电路实现对反激开关电源PID补偿参数自动整定，达到了预期设计规定。
[核心词]：反激电路；MATLAB；仿真分析

The Analysis and Design of Flyback Convertor based on MATLAB
Automatic xxx

Abstract：Flyback converter (Flyback Converter) is derived from the Buck-Boost converter，Flyback circuit (flyback circuit) as the main object，in the flyback circuit，output transformer T in addition to realize the electrical isolation and voltage matching，and the stored energy function，the former is the attribute of the transformer，the latter is the inductance attribute，so it is called inductance of transformer. In order to meet the various requirements of electricity in recent years，emerge as the times require switching power supply technology. The flyback converter for electrical modeling of open loop simulation using MATLAB software，analysis of change of the output voltage waveform，verify the performance index is up；then established simulation circuit to realize closed loop control of PID compensation parameters on flyback switching power supply automatic tuning，and achieved the expected design requirements.
Key words：fly-back circuit；MATLAB；analysis of simulation;

引言
开关晶体管开通和断开时间比率是运用近代电力电子技术来控制,来保持电压稳定输出一种电源叫做开关电源。当开关电源还没浮现时候,这种工作电源都是采用线性稳压电源。线性稳压电源也称为串联调节式稳压电源，具备良好稳定性，迅速反映性，输出纹波电压输出小，工作噪音小等长处，但也有工作效率低，体积膨大，集成性低，产生热量大等问题。开关电源是通过控制开关通断时间比率来保持电路输出电压稳定一种电源，以它小体积、轻重量、小功率、高效率、易扩容、智能化限度高、便于管理等特点，逐渐取代线性稳压电源，成为直流稳压电源管理主导方式[1]。随着电子技术不断发展,电子设备也得到了长足发展，功能越来越强大,体积却越来越小,社会急切需求一种性能更高、体积更小、效率更高和集成性更强新型电源；因而对开关电源研究有着很重大意义。当前开关电源作为电力电子领域一种重要研究方向，对其研究，不但有理论意义，并且对咱们生活改进，有着很重要意义。以Flyback电路作为开关电源主电路为研究对象意义重大，并且MATLAB这款仿真软件具备十分强大功能，尚有针对电力电子某些专用功能，因而在MATLAB平台上研究Flyback变换器，对于咱们此后学习工作是很有协助。
1 反激变换器理论基本
1.1 反激变换器特点
反激变换器具备电路拓扑比较简洁，可以提供多路直流输出，因而比较适合多组电压输出规定。电路输出电压与输入电压具备电气隔离简洁变换器就是反激变换器。输出滤波就有一种滤波电容就够了，体积和电感不规定很大，具备成本小长处。特别是在输出高电压时侯，可以避免大电感和大续流二极管。功率晶体管处在零电流开通状态时候，开通损耗是非常小。二极管在零电流关断时候，用不着考虑反向恢复问题；电路输入电压处在很大波动时候，其依然具备较稳定电压输出，不需要切换就可以达到稳定输出电压规定；转换效率非常高，损失非常小；变压器匝数比值较小；对于小功率多组输出电路比较有效；反激电路变压器工作原理跟其他类型隔离变换器工作原理是不同，在反激电路中隔离变压器同步起到了存储能量作用；并且其变压器铁芯必要加上气隙,以这种方式来防止磁饱和；因此反激变换器被广泛应用在中小功率变换场合。

1.2 反激变换器工作原理
反激（Fly-back）变换器构成元件有开关管、整流二极管、电容、输入电源、负载、和变压器T构成，变压器有两个绕组：一次绕组P和二次绕组S，绕组数分别用、表达，其同名端标记在图1中以“”表达，两绕组要紧密耦合，如图1所示。
图1 反激变换器

反激变换器属于一种隔离式开关变换器，该变换器运用变压器功能实现了输入电压与输出电压隔离。当开关管处在导通状态时候，高频变压器T原边电压等于输入电源电压减去开关管饱和管压降电压，若忽视开关管饱和管压降，它电压值可以以为是近似等于输入电源电压值,其极性是上为正下为负，变压器原边进行储能；与之相应高频变压器副边电压是上负下为正。此时整流二极管承受是反向电压，因此是不导通，负载上电能是依托输出电容放电电流来供应。当开关管截止时，在高频变压器原边感应出上为负下为正自感电势，而在变压器副边感应出上正下负自感电动势，因此整流二极管正向导通，变压器储能给及负载供电。由此可知反激变换器在开关管处在受控导通时候，高频变压器可以把电能转变成磁能进行储存；而当开关管处在受控截止状态，高频变压器就把原先储存起来磁能转变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容进行充电。反激变换器整流二极管是在功率晶体管截止状态才导通，故称其电路为反激型。在这种电路中，只要变化开关管开关频率、占空比以及初级和次级电感线圈数比，就可以对输出电压、电流和功率进行调节[4]。
1.3 反激变换器工作模式
根据反激变换器变压器副边电流有无下降到零，可以将反激变换器分为三种工作模式:电感电流持续模式(CCM)、电流断续模式(DCM)与电流临界持续模式(BCM)，各种工作模式下相应电感电流波形如图2所示，图中,分别是反激变换器变压器原副边电感电流，D是开关管S占空比，是变压器开关频率。
图2 变压器电感电流波形
1.4 反激电路MATLAB仿真建模
应用MATLAB仿真软件搭建反激fly-back电路，如图3所示，通过示波器Scope2可以清晰地观测到变压器副边绕组电流波形和负载电流、电压波形，从而依照波形判断变换器工作模式。
图3 反激仿真建模图

反激Flyback仿真建模图中DC是直流电压源，T是高频变压器， C是滤波电容，Diode1是电力二极管，电力二级管具备单向导通特性，具备制止电流反向流动功能；IGBT是电路开关器件，R是负载，Pulse Generator是PWM脉冲发生器，用于驱动IGBT。
几种重要元件模块在反激Flyback仿真图中参数需要调试。通过使用试凑法最后可以拟定元件模块参数如下表1所示：

表1 仿真建模中元件参数设立
电源电压（DC Voltage）
100V
PWM周期
0．001sec

变压器（T）
Pn
250e6VA
fn
1000Hz
V1
200e3V
V2
40e3V
滤波电容（C）
200e-5sec
负载电阻（R）
2Ω

电力二极管（Diode1）
R
0.001Ω
H
0
Vf
0.8
Rs
500
Cs
250e-9
（1） 反激变换器持续工作模式
保持负载电阻R=2Ω，反激变换器变压器参数Rm值为50、Lm值为2，变化元件模块占空比D大小看反激电路工作状态，在占空比D为50%时候，电感电流不不大于零反激电路处在持续模式状态，如图4所示。

图4持续模式时变压器副边绕组电流，负载电压、电流波形
（2）反激变换器断续工作模式
当占空比D=8%时，电路处在断续模式状态如图5所示。
图5断续模式时变压器副边绕组电流，负载电压、电流波形
从图4和图5可以看出：在负载电阻阻值R为2Ω，反激变换器变压器参数Rm值为50、Lm值为2保持不变时候，把占空比改小，反激电路由电流持续模式转变为电流断续模式。
（3）保持负载电阻阻值R为2Ω，元件模块占空比D为50%，反激变换器变压器参数Rm值为50保持不变时候，把变压器Lm值变小到0.1时，电路处在断续模式状态如图6所示。
图6断续模式时变压器副边绕组电流，负载电压、电流波形
从图4和6可以看出，在保持负载电阻阻值R为2Ω，元件模块占空比D为50%，反激变换器变压器参数Rm为50保持不变时候，变小变压器Lm值，电路由电流持续模式变为电流断续模式。
通过观测并记录图4到图6中仿真波形可以看出可以通过变化PWM脉冲发生器占空比D、变压器Lm值大小来控制和调节输出电压、电流大小。在负载电阻阻值保持不变时候，反激变换器变压器Lm值逐渐变小到莫个值时候电路工作模式就会从电流持续转变为电流断续，由此可以得出反激变换器变压器Lm值大小直接影响电路是工作于电流持续还是工作于电流断续。
1.5 反激变换器控制办法
DC/DC变换器控制办法比较常用办法是“时间比率控制”。它是通过调节变换器中开关管导通占空比，从而实现输出电压在工作状态下保持稳定。依照这个原理，可以将控制办法分为三种：脉频调制、脉宽调制和混合调制。【6】
脉频调制是指保持开关管导通时间不变，通过变化开关管周期来调节占空比一种控制办法。脉宽调制是保持开关周期不变，而变化开关导通时间来调节占空比一种控制办法。混合调制方式是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能变化一种控制方式，属于 PWM和PFM调制混合。
本设计采用是脉宽调制，也就是以输出电压+5V作为反馈电压，实现单闭环控制。
2 单端输入多端输出反激变换器设计
2.1设计规定
反激变换器具备可靠性高、输入电压与输出电压具备电气隔离、升（降）压范畴较为宽、易于多路输出等长处。因而，本次将设计一种DC/DC单端输入多端输出反激变换器电路，输入直流电压源是110V，输出直流电压为+5V，+15V，-15V反激变换器，并在MATLAB仿真软件平台上对其验证。
2.2设计平台
本次设计是基于MATLAB平台仿真设计，MATLAB是由美国Mathworks公司开发大型软件。在MATLAB软件中，涉及了两大某些：数学计算和工程仿真。其数学计算某些提供了强大矩形解决和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB软件应用几乎遍及了各个工程领域，并且还在不断加以完善[5]。
2.3设计流程
一方面，要在Simulink/SimPowerSystems平台上搭建一种符合规定开环Flyback电路。然后进行参数调试，直到设立参数符合设计规定为止。
最后，在Simulink/SimPowerSystems平台上，搭建一种闭环控制电气模型。将输出电压进行采样后，然后与基准电压+5V进行比较，得到误差信号。把误差信号通过电压补偿，与锯齿波波进行PWM调制，得到一组满足条件具备控制能力方波，对开关管进行控制。
3单端输入多端输出反激变换器开环仿真
3.1设计电路系统框图

3.2开环仿真分析
使用MATLAB软件搭建电路开环系统。如图10所示，通过示波器Scope，可以清晰地观测到输出电压波形，从而依照波形判断变换器输出电压稳定期值。在Simulink还可以使用测量模块，直观读出输出电压平均值。
图10 开环系统仿真图
开环系统仿真用到模块及其重要功能如下表2所示：
表2模块名及其重要功能
模块名
重要功能
Saturation（限幅）
设立输入信号正负限幅值，模仿环节饱和特性
DC Voltage Source（直流电源）
为电路提供一种抱负直流电压
MOSFET

描述一种MOSFET场效应管
Display（显示屏）

数字方式显示信号
Diode(二极管)

反映加载于其两端电压和通过它电流之间关系
Voltage（电压表）
电压测量
PID Controller（PID控制器）
具备比例、积分、微分调节作用
Mean Value（平均值）

求输出电压平均值
PWM发生器

控制电路闭环反馈，调节主电路开关器件导通脉冲宽度
Powergui
观测测量电压、电流恒稳态以及电路状态变量
IGBT（绝缘栅型双极型三极管）
描述一种门控信号控制电流通路
通过多次调参数实验，得出符合设计规定参数，元件参数设定如下表3所示：
表3 仿真建模中重要元件参数设立

电源电压（DC Voltage）
110V
PWM周期
0．001sec

多绕组变压器
（Multi-Winding Transformer）
Pn
500VA
fn
40e3Hz
U1
100V
U2
5.3V
U3
15V
U4
15V
R1
0.005Ω
R2
0.001Ω
R3
0.005Ω
R4
0.005Ω
L1
0.04H
L2
0.03H
L3
0.03H
L4
0.03H
Rm
50
Lm
55

滤波电容（C2）
200e-6sec
滤波电容（C3）
200e-6sec
负载电阻（R1）
20Ω
负载电阻（R2）
20Ω
负载电阻（R3）
20Ω

电力二极管（Diode1）
Ron(内电阻)
0.001Ω
Lon(内电感)
0H
Vf（正向电源）
0.8V
Rs(过渡电阻)
500Ω
Cs（过渡电容）
250e-9F

3.3仿真成果分析
打开示波器Scope，观测如图11所示输出电压，可以初步观测开环系统仿真输出电压波形，发现其稳定后平均值和测量模块测出平均值相近,电压值分别为4.469V,14.09V,-14.09V,如图12所示。
图11输出电压波形图
图12输出电压平均值
4单端输入多端输出反激变换器闭环仿真分析
4.1 PID控制
使用PID参数进行参数调节时候，具备一套完整顿论计算公式来计算拟定PID参数则是最完美方式，而现实使用当中，大某些是使用试凑法来调节PID参数。试凑法就是通过闭环系统运营仿真，仔细观看闭环系统响应特性曲线，再根据各模块元件参数对系统影响，重复调节模块元件参数，等到系统响应特性曲线符合设计规定为止，这样就把PID控制参数拟定下来了。本设计就是使用PID试凑法对闭环系统进行补偿稳压仿真分析，达到毕业设计规定。
4.2闭环系统仿真框图
闭环系统仿真框图如图13所示。
图13闭环控制原理图
闭环控制原理：将输出电压与基准电压5V进行比较，得到差值送入PID进行运算后，通过限幅模块，限幅值为-0.5V到1V，再通过幅值为2三角波进行比较，得到一组有控制功能方波，此过程就是PWM调制。当输出电压过大时候，PWM波占空比D会相应减小；相反，当输出电压过小时候，PWM波占空比D会相应增大；保证输出电压稳定为5V。
4.3 Simulink建模
在Simulink上搭建闭环系统电气模型仿真图，如图14所示。
图14 闭环系统电气模型仿真图

4.4 闭环系统仿真
打开示波器Scope，观测如图15所示闭环控制系统输出电压，可以初步观测闭环系统仿真输出电压波形，发现其稳定后平均值和测量模块测出平均值非常相近,电压值分别为5.003V,15.63V,-15.63V,达到了设计规定。如图16所示。

图15闭环系统输出波形图
图16闭环系统输出电压平均值

结束语
通过了两个多月努力和探究，本人撰写好了所选毕业论文，从本人在学校毕业论文选题系统题目到闭环控制系统仿真实现，到毕业设计论文定稿，每通过一种阶段对我来说都是新尝试和挑战。在两个多月里，本人和教师共同窗习和实验，查看了大量有关资料和书籍，让自己思路由模糊逐渐变清晰，使不成熟作品慢慢地完善起来，本人觉得每一次小小进步都是学习收获，每一次参数调试成功心里都会有一种小小满足感。
本论文一方面对反激电路开环电路系统进行仿真分析，通过度析，理解了电路中个参数变化对系统整体效果影响，并选取了合理校正方式和补偿办法；直接在MTALAB上搭建了闭环系统。
本次毕业设计所遇到种种困难和喜悦使本人难以忘怀，是使本人切身体会到没有自己研究，就不会有所突破。

参照文献
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[2]胡江毅.反激变换器设计[D].南京航空航天大学研究生学位论文,.
[3] 张兰红.陈道炼.反激变换器不同工作模式稳态分析与设计[J] .电源世界，,20（12）
[4] 侯振义.直流开关电源技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，.
[5] 吴天明 谢小竹 彭彬 MATLAB电力系统设计与分析[M]. 北京：国防工业出版社,.
[6] 华伟. 通信开关电源五种 PWM 反馈控制模式研究[J]. 通信电源技术，，6(2):8-12
[7] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，.
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[9] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,.
[10] 周志敏，周纪海，纪爱华. 高频开关电源设计与应用实例.[M]. 北京：人民邮电出版社，.
[11]王志强，肖文勋.开关电源设计.[M]. 北京：电子工业出版社，.
[12] 黎善斌,王智,孙优贤.网络控制系统自整定鲁棒数字PID控制[J]. 浙江大学学报（工学版），.12，38（12）:1580-1581.

道谢
在我指引教师xxx专家亲切关怀和悉心指引下终于完毕了本论文。从选题到最后定稿刘教师都始终在旁边尽心竭力指引着咱们这个毕业设计小团队。只要咱们遇到难以解决问题，需要刘教师指引，刘教师都会从百忙之中赶来学校辅导咱们，有时候从下午3点多开始始终到晚上十点多，在半途都没有怎么休息过。一想到刘教师晚上十点多走回家情景，我就有股说不出滋味，心想要是刘教师有个小房子在学校那该多好啊。刘教师真很辛苦，白天要在明阳、长岗两个校区上课，有时候晚上在长岗校区辅导完咱们毕业设计后，回到家还要准备明天课。看到刘教师那么忙碌，劳累，我很紧张她身体，因此我在弄毕业设计过程中遇到难题都是竭力想方设法自己独立去解决，实在解决不了再去麻烦刘教师。刘教师指引咱们方式是授之于鱼而不如授之于渔，刘教师教会咱们是学习办法，怎么去找资料，怎么去解决问题。在撰写毕业论文过程中刘教师教会了咱们诸多东西，小到怎么查询、检索文献，怎么弄目录，怎么排版，怎么做会议记录，怎么用Word文档里超链接，大到怎么做人做事。刘教师也曾告诫咱们不要到最后做不出设计而拿毕业论文作为备胎，这无形之中给我施加了压力。MATLAB是一种纯英文式软件，要搭好仿真电路调好参数是件不易事情，我曾为了调好参数持续熬夜，连做梦也梦到自己在不断调参数，直到把波形调出来才缓过来。我完全理解刘教师专心良苦，她完全出于真心对咱们好，她就是想让咱们在毕业前夕能真真正正学到点东西。刘教师要是不给咱们施加压力，咱们就不会那么注重毕业设计，就不会激发出咱们巨大潜能，咱们就不会得到大学时光最后磨练。做好一份毕业设计是最能协助咱们提高综合素质能力机会，也是大学时光最美好回忆，由于很充实，可以学到诸多知识。我觉得刘教师就像咱们父母同样有着一颗望子成龙，望女成凤心愿，当咱们没有达到她盼望时候就像咱们父母同样恨铁不成钢骂咱们，我懂得这完全是由于在乎咱们才这样，要是不在乎咱们话才懒得理咱们呢，气愤多伤肝。刘教师是一种非常认真负责指引教师，例如在做设计过程中要用到诸多之前学过知识，而咱们学得快忘得也快，诸多知识只是有个模糊概念而已了，刘教师只是简朴批评了下咱们，然后认真、耐心系统给咱们上课，例如给咱们上了《自动控制原理》控制系统数学模型、PID控制；其实我想写尚有诸多诸多千言万语汇成一句：“刘教师，您是一位真心替学生着想，值得尊敬好教师。”同步也真诚感谢刘教师对咱们付出，刘教师，您辛苦了，谢谢您！同步也感谢我父母，没有她们也就没有今天我。

作者简介
姓名:xxx，性别：x，出生年月：xxx年xxx月，民族：x
xxx学院物理与电子工程学院自动化专业毕业生
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声 明
本人郑重声明：本设计是本人（设计）在xxx学院学习期间，在指引教师指引下完毕。其内容真实可靠，如存在抄袭、抄袭现象，本人愿承担所有责任。
同步，本人完全理解并乐意遵守xxx学院关于保存、使用毕业设计（设计）规定，其中涉及：
1.学院有权保管并向关于部门递交毕业论文(设计)原件与复印件。
2.学院可以受用影印、缩印或其她复制方式保存毕业论文(设计)。
3.学院可以学术交流为目，赠送和互换毕业论文(设计)。
4.学院可以容许毕业论文(设计)被查阅或借阅。
5.学院可以按著作权法规定发布毕业论文(设计)所有内容或某些内容(保密毕业论文(设计)在解密后遵守此规定)。
除非另有科研合同和其她法律文书制约，本论文科研成果属于广西师范学院。
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