Boost和Buck-Boost變換器的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真-精品

1、電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真 總結(jié)報(bào)告總結(jié)報(bào)告 題目：題目： boost 和 buck-boost 變換器的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真 2 一、綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求 1. matlab 部分 （1）熟悉 matlab 使用環(huán)境。 （2）初步掌握 matlab 的基本應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)值運(yùn)算，程序設(shè)計(jì)及繪 圖等。 （3）熟悉 simulink 系統(tǒng)仿真環(huán)境，包括 simulink 工作環(huán)境，基本操作，仿真 模型，仿真模型的子系統(tǒng)，重要模塊庫等。 （4）初步掌握 simpowersystems 模型庫及其應(yīng)用。 （5）能夠使用 simpowersystems 模型庫進(jìn)行電力電子電路的仿真分析。 2設(shè)計(jì)

2、部分 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)升壓變壓器，輸入電壓為 3-6v，輸出電壓 15v，負(fù)載電阻為 10 歐姆，要求電壓連續(xù)。根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計(jì)。 （2）設(shè)計(jì)一個(gè) buck-boost 變換器，輸入 20v 的直流電源，輸出范圍為 1040v,要 求電感電流連續(xù)。根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計(jì)，開關(guān)器件選用 mosfit，開關(guān) 頻率 20khz，負(fù)載為 10 歐姆。 （3）完成上述升壓變化器的計(jì)算機(jī)仿真，觀察輸出電壓電流波形、系統(tǒng)輸入電 流波形、電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時(shí)輸入輸出的變化情況、和 理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。 4.選作：使用 psim 仿真軟件完成上述仿真。 二、綜合訓(xùn)練總結(jié)報(bào)告必須

3、提交的成果 （1）綜合訓(xùn)練總結(jié)報(bào)告（不少于 20 頁，約一萬字左右）需包括： 1）前言。2）目錄。3）主電路工作原理說明。4）主電路設(shè)計(jì)詳細(xì)過程與圖紙。 5）仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設(shè)置。6）仿真結(jié)果的分析。7）總結(jié)。8） 參考文獻(xiàn)。9）體會。 （2）綜合訓(xùn)練總結(jié)報(bào)告要求用 a4 頁面打印，小四宋體，單倍行距，采用 word 默認(rèn)的邊距，仿真模型、模塊參數(shù)設(shè)置、仿真結(jié)果等都要在總結(jié)報(bào)告中進(jìn)行詳 細(xì)說明。 3 前 言 電力電子學(xué)是綜合應(yīng)用電工理論、電子技術(shù)及控制理論等，利用電力電子 (功率半導(dǎo)體)器件控制或變換電能，以達(dá)到合理而高效率地使用能源。它是電 力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間

4、的交叉學(xué)科。 電力電子技術(shù)是近年來最活躍的研究領(lǐng)域之一。作為聯(lián)系弱電與強(qiáng)電的紐 帶，電力電子技術(shù)提供了控制電功率流動(dòng)與改變電能形態(tài)的有力手段，在小至 數(shù)瓦，大至數(shù)千千瓦乃至數(shù)十兆瓦的范圍內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。隨著功率半導(dǎo) 體制造技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及控制理論的不斷進(jìn)步，電力電子 技術(shù)向著大功率、高頻化及智能化方向發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。 開關(guān)電源由功率級和控制電路組成，功率級完成從輸入電壓到輸出電壓的 基本能量轉(zhuǎn)換，它包括開關(guān)和輸出濾波器。這篇報(bào)告只介紹降壓升壓（buck- boost）功率級，不包含控制電路。詳細(xì)介紹了工作在連續(xù)模式和非連續(xù)模式下 buck-boost 功率級的

5、穩(wěn)態(tài)和小信號分析，同時(shí)也介紹了標(biāo)準(zhǔn) buck-boost 功率 級的不同變型，并討論了功率級對組成部件的要求。 開關(guān)電源最常見的三種結(jié)構(gòu)布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓 升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的，也就是說，輸入級電壓 和輸出電壓是共地的，但是也存在這種隔離拓?fù)涞淖冃汀ｋ娫床季种饕侵高@ 些開關(guān)、輸出電感和輸出電容怎么連接的。每種布局都有它獨(dú)自的特性，這些 性能主要包括穩(wěn)態(tài)電壓轉(zhuǎn)換比、輸入輸出電流的狀態(tài)、輸出電壓的紋波特征， 另一個(gè)主要特性就是占空比輸出電壓的傳輸函數(shù)的頻率響應(yīng)。 在介紹了脈沖寬度調(diào)制（pwm）開關(guān)模型后，給出了占空比輸出電壓的傳

6、輸函數(shù)。圖解中顯示了包括驅(qū)動(dòng)電路模塊在內(nèi)的 buck-boost 功率級的簡單原理 圖，功率開關(guān) q1 是以一個(gè) n 通道的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（mosfet），輸 出二極管是 cr1。電感 l 和電容 c 組成了有效的輸出濾波器。在分析過程中， 考慮了電容 esr（等效串聯(lián)電阻）,rc,和電感 dc 的阻抗，rl。電阻 r，代表了 在功率輸出端的負(fù)載。 4 目錄 1 主電路工作原理說明.5 1.1 buck-boost 主電路的構(gòu)成 .5 1.2 buck-boost 穩(wěn)態(tài)分析 .5 1.3 buck-boost 穩(wěn)態(tài)連續(xù)導(dǎo)通模式分析.6 1.4 buck-boost 穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導(dǎo)通模式

7、分析 .9 1.5 關(guān)鍵電感.12 2 主電路設(shè)計(jì).14 2.1 boost 主電路設(shè)計(jì) .14 2.2 buck-boost 主電路設(shè)計(jì) .15 3 仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設(shè)置.17 3.1 boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設(shè)置 .17 3.2 buck-boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設(shè)置 .20 4 仿真結(jié)果分析.24 4.1 boost 變換器仿真波形 .24 4.2 buck-boost 變換器仿真波形 .25 總 結(jié).26 參考文獻(xiàn).28 心得體會.29 元器件明細(xì)表.30 5 1 主電路工作原理說明 1.1 buck-boost 主電路的構(gòu)成 buck-bo

8、ost 變換器的主電路與 buck 或 boost 變換器所用元器件相同，由 開關(guān)管、二極管、電感、電容等構(gòu)成，如圖 1 所示。與 buck 和 boost 不同的是 電感 l 在中間，不在輸出端也不在輸入端，且輸出電壓極性與輸入電壓極性相 反。開關(guān)管也采用 pwm 控制方式。buck-boost 變換器也由電感電流連續(xù)和斷續(xù) 兩種工作方式，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往要求電流不斷續(xù)，即電流連續(xù)，當(dāng)電路 中電感值足夠大時(shí)，就能使得電路工作在電流連續(xù)的狀態(tài)下。因此為了分析方 便，現(xiàn)假設(shè)電感足夠大，則在一個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)。 圖 1 buck-boost 主電路原理圖 在 buck-boost 的正常工作中

9、，q1 在控制電路的開關(guān)時(shí)間內(nèi)，重復(fù)的打開、 關(guān)上。在 q1、cr1 和 l 的連結(jié)節(jié)點(diǎn)處，開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生了一個(gè)脈沖序列。電感 l 跟輸出電容 c 相連，只有在 cr1 導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)有效的 l/c 輸出濾波器才形成， 過濾脈沖序列，產(chǎn)生直流輸出電壓。 1.2 buck-boost 穩(wěn)態(tài)分析 功率級可以在連續(xù)電感器電流和非連續(xù)電感器電流模式下工作，連續(xù)電感 器電流模式在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都有電流連續(xù)通過電感器；非連續(xù) 電感器電流模式是開關(guān)周期內(nèi)的一部分時(shí)間電感電流為 0，它在整個(gè)周期內(nèi)從 0 開始，達(dá)到一個(gè)峰值后，再回到 0. 這兩種模式稍后再詳細(xì)探討，在給出額定負(fù)載情況下如何選擇電感值，

10、來 保證工作在選定模式的設(shè)計(jì)指導(dǎo)書也會提供。對于轉(zhuǎn)換器來說，在預(yù)期工作條 件下只保持希望的工作模式是很理想的，因?yàn)樵趦煞N不同工作模式下功率級的 頻率響應(yīng)變化相差很大。經(jīng)過這些分析發(fā)現(xiàn)，采用 n 通道的功率型金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)管（mosfet），驅(qū)動(dòng)電路打開場效應(yīng)管（fet）時(shí)，q1 的柵極和 6 漏極間加上正的電壓 vgs(on)，采用 n 通道場效應(yīng)管的優(yōu)勢在于它的低導(dǎo)致電 阻 rds(on)，但是驅(qū)動(dòng)電路就更加復(fù)雜，因?yàn)樾枰?dòng)電極。而同樣大小的 p 通道場效應(yīng)管有較高的 rds(on) ，通常也不需要浮動(dòng)電極回路。晶體管 q1 和 二極管 cr1 畫在點(diǎn)劃線方框里面，終端接口標(biāo)為

11、a，p 和 c，這些會在 buck boost 功率級模型部分詳細(xì)講到。 1.3 buck-boost 穩(wěn)態(tài)連續(xù)導(dǎo)通模式分析 緊接著介紹buck-boost 的穩(wěn)態(tài)連續(xù)導(dǎo)通模式分析，這部分主要目的就是給 出一個(gè)buck-boost 穩(wěn)態(tài)連續(xù)導(dǎo)通模式下電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導(dǎo)。這是很重要的， 因?yàn)樗沂玖溯敵鲭妷涸鯓佑烧伎毡群洼斎腚妷簺Q定，或者相反，怎樣基于輸 入電壓和輸出電壓來計(jì)算占空比。穩(wěn)態(tài)說明輸入電壓、輸出電壓、輸出負(fù)載電 流和占空比都是固定不變的，大寫字母表示出了穩(wěn)態(tài)下的變量名。 在連續(xù)導(dǎo)通模式，buck-boost轉(zhuǎn)換器保證每個(gè)開關(guān)周期有兩個(gè)功率態(tài)，當(dāng) q1是開、cr1是關(guān)時(shí)，就是開態(tài)（on

12、）；當(dāng)q1是關(guān)而cr1是開時(shí)，就是關(guān)態(tài) （off）。在每個(gè)狀態(tài)中，當(dāng)回路中的開關(guān)被等價(jià)回路所代替時(shí)，一個(gè)簡單的線 性回路可以用來表示這兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)的回路圖表見圖2. v e ulcuo v i1 i2 il r vd l （a） v e ulcuo v i1 i2 il r vd l （b） 圖 2 buck-boost 狀態(tài)圖 電流連續(xù)時(shí)有兩個(gè)開關(guān)模態(tài)，即 v 導(dǎo)通時(shí)的模態(tài) 1，等效電路見圖 2（a） ； v 關(guān)斷時(shí)的模態(tài) 2，等效電路見圖 2（b） 。 開態(tài)的時(shí)間為 dts = ton，其中 d 為由控制回路設(shè)定的占空比，代表了 開關(guān)在開態(tài)的時(shí)間占整個(gè)開關(guān)周期（ts）的比值。關(guān)態(tài)的時(shí)

13、間叫 toff，因?yàn)閷?7 于連續(xù)導(dǎo)通模式下在整個(gè)開關(guān)周期中只有兩個(gè)狀態(tài)，所以 toff 等于(1d) ts ，數(shù)值（1d）有時(shí)被成為 d，這些時(shí)間與波形一起顯示在圖 3 中。 圖 3 連續(xù)模式下 buck-boost 功率級波形圖 參考圖 2，在 on 態(tài)，q1 此時(shí)為低電阻，rds(on)，從漏極到源極，只有很 小的電壓降 vds=il rds(on)。同時(shí)電感器的直流電阻上的電壓降也很小，等 于 ilrl。因此，輸入電壓 vi，減去損耗(vds + il rl)，就加載到電感器 l 兩端。在這段時(shí)間 cr1 是關(guān)的，因?yàn)樗欠聪蚱玫摹?電感電流 il ，從輸入源 vi 流出，經(jīng)過 q1

14、，到地。在開(on)態(tài)，加在電 感器兩端的電壓為定值，等于 vivdsil rl。通過改變圖 2 中電流 il 的 極性，電感上的電流會隨著所加的電壓而增大。同時(shí)，由于加載的電壓通常必 須為定值，所以電感電流線性增加。圖 3 描述了在 ton 時(shí)間內(nèi)電感電流的增加。 在開態(tài)（on）時(shí)間內(nèi)電感電流的增量由下式可得: 量 il(+)代表了電感的紋波電流，同時(shí)注意在此期間，所有的輸出負(fù)載 電流由輸出電容 c 提供。 參考圖 2，當(dāng) q1 關(guān)時(shí)，它的漏極和源極間有很高的阻抗，所以，流過電感 l 的電流不能瞬時(shí)的變化，從 q1 轉(zhuǎn)移到 cr1。隨著電感電流的減小，電感兩段 8 的電壓改變極性直到整流器

15、cr1 變?yōu)榍跋蚱茫蜷_的時(shí)候，這時(shí)電感 l 兩段 的電壓變?yōu)?vovdil rl)，式中的 vd 是 cr1 的前向電壓降。電感電流 il，這時(shí)從輸出電容和負(fù)載電阻的組合，經(jīng)過 cr1 到地。 注意 cr1 的方向和電感中電流的流向意味著輸出電容和負(fù)載電阻中電流導(dǎo) 致 vo 為負(fù)電壓。在關(guān)態(tài)（off）時(shí)，電感兩端的電壓為定數(shù)，且為(vovdil rl)，為了保證同樣極性的轉(zhuǎn)換，這個(gè)加載電壓必須是負(fù)的（或者在開態(tài) （on）時(shí)為極性相反的加載電壓），因?yàn)檩敵鲭妷簽樨?fù)的。因此，電感電流在 off 態(tài)時(shí)是減小的，而且由于加載電壓必須是常數(shù)，所以電感電流線性減小。 toff 時(shí)間內(nèi)電感電流的減小見圖

16、 3. 在關(guān)態(tài)（off）電感電流的減小可以由下式求得: 量il()也代表了電感的紋波電流。 在穩(wěn)態(tài)條件下，開態(tài)（on）下的電流增加量il(+) 和關(guān)態(tài)（off）下的電 流減小量il() 必須是相等的。否則，在一個(gè)周期到下一個(gè)周期，電感電流 就會有一個(gè)凈的增加量或者減小量，這就不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)了。所以，這兩個(gè)方程 必須相等，從而求出vo，得到連續(xù)導(dǎo)通下buck-boost能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系式，求解 出vo: 用ton+toff來替換ts，并利有d = ton / ts 和 (1d) = toff / ts，vo 的穩(wěn)態(tài)方程可變?yōu)? 注意在上式的化簡中，用到了ton+toff等于ts，這只是在連續(xù)導(dǎo)通模式

17、下成立 的，在我們以后分析到非連續(xù)導(dǎo)通模式下就可以看到。 我們還發(fā)現(xiàn)，il的兩個(gè)值相互相等的假定，等同于電感上的電壓-秒曲線 的平衡。電感上的電壓秒關(guān)系是由加載在電感上的電壓和加載電壓的時(shí)間來 確定的。這是用已知的電路參數(shù)來計(jì)算像vo和d等未知值的最好方法，這種方法 在本文中將經(jīng)常用到。電感上的電壓-秒關(guān)系平衡在物理上是必須的，而且就像 歐姆定律一樣容易理解。 在上面關(guān)于il(+) 和il()的方程中，輸出電壓默認(rèn)為常數(shù)定值，在 on時(shí)間和off時(shí)間內(nèi)沒有交流紋波電壓。這是一個(gè)常用的簡化，涉及到兩方面的 假設(shè)，首先，輸出電容足夠大，它上面的電壓變化可以忽略；其次，由于電容 等效串聯(lián)電阻（esr

18、）造成的電壓也可以忽略。這些假設(shè)是合理的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的 交流紋波電壓是遠(yuǎn)小于輸出電壓的直流部分的。 9 上面vo的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系表明一個(gè)事實(shí)，就是可以通過調(diào)節(jié)電控比d來調(diào)節(jié)輸 出電壓。這種關(guān)系在d接近于0時(shí)也接近0，在d接近1時(shí)逐漸增加而沒有限制。一 個(gè)常用的簡化就是假定vds，vd和rl足夠小，可以忽略。假設(shè)vds, vd和rl等于 0，上面的式子就可以簡單地看作為： 一個(gè)簡單定性的想象電路工作的方法就是把電感看作是一個(gè)能量儲存單元， 當(dāng)q1打開時(shí)，能量加到電感器上，當(dāng)q1關(guān)上時(shí)，電感就把它儲存的一部分能量 輸送到輸出電容和負(fù)載上。輸出電壓就通過設(shè)定q1的開關(guān)時(shí)間來控制，例如， 增大q1開的時(shí)間

19、，輸送到電感的能量就增加，在q1關(guān)時(shí)有越多的能量輸出，輸 出電壓就會增加。 不像降壓（buck）功率級，電感電流的平均值并不等于輸出電流。想知道 電感電流和輸出電流的關(guān)系，可以參考圖2和圖3，注意電感只有在能量級的關(guān) （off）態(tài)才向輸出傳送電流。這樣在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電流平均值就等于輸出 電流，因?yàn)檩敵鲭娙葜械碾娏髌骄当仨毜扔?. 在buck-boost功率級的連續(xù)導(dǎo)通模式中，電感電流的平均值和輸出電流的 關(guān)系有下式給出: 或者 另外一個(gè)重要的現(xiàn)象就是電感電流的平均值跟輸出電流是成比例的，因?yàn)?電感紋波電流il是跟輸出負(fù)載電流無關(guān)的，電感電流的最大值和最小值精確 的跟隨電感電流的平均值變化

20、。例如，當(dāng)電感電流的平均值由于負(fù)載電流降低 而減小2a時(shí)，電感電流的最大值和最小值也會隨著減小2a（假定一直保持在連 續(xù)導(dǎo)通模式下）。 現(xiàn)在就停止對buck-boost能量級在連續(xù)導(dǎo)通模式下電感電流的分析了，在 接下來的部分描述在非連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)工作，主要任務(wù)是buck-boost能量級 在非連續(xù)導(dǎo)通模式下電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導(dǎo)。 1.4 buck-boost 穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導(dǎo)通模式分析 現(xiàn)在我們研究當(dāng)導(dǎo)通模式從連續(xù)變?yōu)榉沁B續(xù)，負(fù)載電流降低時(shí)會發(fā)生什么， 回想連續(xù)導(dǎo)通模式，電感平均電流跟隨輸出電流變化，也即是，如果輸出電流 減小，電感電流平均值也會減小。此外，電感電流的最大值和最小值也會準(zhǔn)確 的隨著

21、電感電流平均值變化。 如果輸出負(fù)載電流減小到臨界電流水平以下，在開關(guān)周期的一部分時(shí)間內(nèi) 10 電感電流就會變?yōu)?。從圖3的波形圖中可以明顯看出來這點(diǎn)，因?yàn)榧y波電流的 峰峰值幅度并不隨著輸出負(fù)載電流變化。在buck-boost能量級，如果電感電流 試圖減低到0以下時(shí)，它會停在0（因?yàn)閏r1只能有單向電流通過），并保持為0 直到下一個(gè)開關(guān)周期的開始。這個(gè)工作模式就叫做非連續(xù)導(dǎo)通模式。一個(gè)工作 在非連續(xù)導(dǎo)通模式下的功率級在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有三個(gè)狀態(tài)，相比下連續(xù)導(dǎo)通 模式只有兩個(gè)狀態(tài)。功率級在連續(xù)模式和非連續(xù)模式的分界處電感電流的條件 見圖4，這也是電感電流突然降到0，而且在電流降到0時(shí)并馬上開始下個(gè)開

22、關(guān)周 期的地方。注意，圖4中顯示的是io和io(crit)的絕對值，因?yàn)閕o和il有相反的 極性。 圖 4 連續(xù)模式和非連續(xù)模式的分界線 輸出負(fù)載電流的繼續(xù)下降把功率級變?yōu)榉沁B續(xù)導(dǎo)通模式，在圖5中說明這種情況。 非連續(xù)導(dǎo)通模式的功率級頻率響應(yīng)跟在連續(xù)導(dǎo)通模式下的頻率響應(yīng)非常不一樣， 這會在buck-boost功率級模型部分給出；而且，輸入到輸出的關(guān)系也非常不一 樣，會在下面的推導(dǎo)中看出來。 圖 5 非連續(xù)電流模式 在開始推導(dǎo)buck-boost功率級非連續(xù)導(dǎo)通模式下電壓轉(zhuǎn)換比之前，先回想 一下在非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的轉(zhuǎn)換器的三種狀態(tài)。在q1開，cr1關(guān)時(shí)，是開態(tài) （on）；在q1關(guān)，cr1開時(shí)

23、，是關(guān)態(tài)（off）；在q1和cr1都關(guān)時(shí)，是空閑態(tài) （idle）。前兩種狀態(tài)跟連續(xù)模式下的是一樣的，圖2中顯示的電路也適用，只 是toff (1 d)ts。開關(guān)周期的剩余時(shí)間就是空閑（idle）態(tài)。此外，輸 出電感的直流阻抗、輸出二極管的前向電壓降和功率型金屬氧化物半導(dǎo)體場效 應(yīng)管（mosfet）開態(tài)下的電壓降都足夠小，可以忽略。 11 開態(tài)（on）的時(shí)間ton = d ts，d為占空比，由控制電路來設(shè)定，表征 開關(guān)開態(tài)內(nèi)的時(shí)間與開關(guān)周期總時(shí)間ts的比值。關(guān)態(tài)（off）的時(shí)間toff = d2 ts，空閑態(tài)（idle）的時(shí)間就是開關(guān)周期內(nèi)的剩余時(shí)間，即為tston toff = d3 ts。在

24、圖6中給出這三種時(shí)間和響應(yīng)的波形。 跟前面一樣，沒有進(jìn)行詳細(xì)的解釋，電感電流增加和減少的方程直接在下 面給出。 在開態(tài)（on）內(nèi)電感電流的增加為: 紋波電流幅度il(+)也是峰值電感電流 ipk，因?yàn)樵诜沁B續(xù)模式下，每個(gè) 周期內(nèi)電流都是從0開始的。 在關(guān)態(tài)（off）內(nèi)電感電流的減小為: 跟在連續(xù)導(dǎo)通模式下一樣，開態(tài)（on）的電流增量il(+) ，和關(guān)態(tài) （off）的電流減小il() 是相等的。所以這兩個(gè)方程相等，解出vo，從而 由這兩個(gè)方程中第一個(gè)來解出電壓轉(zhuǎn)換比： 現(xiàn)在我們來計(jì)算輸出電流（輸出電壓vo除以負(fù)載電阻r）。它是在cr1導(dǎo)通 時(shí)間內(nèi)（d2 ts）整個(gè)開關(guān)周期上的電感電流的平均值。

25、把 ipk (il(+) )的關(guān)系代入上式，可以得到: 現(xiàn)在我們有兩個(gè)方程，一個(gè)就是剛得到的輸出電流（vo除以r），一個(gè)就是 用vi ， d和d2來表示的輸出電壓。從每個(gè)方程中解出d2，然后令它們相等，再 解這個(gè)方程就可以得到輸出電壓的表達(dá)式vo。 非連續(xù)導(dǎo)通模式下buck-boost功率級電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為: 從上面的關(guān)系式可以看出兩種導(dǎo)通模式的主要不同，對于非連續(xù)導(dǎo)通模式， 電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系是輸入電壓、占空比、功率級電感、開關(guān)頻率和輸出負(fù)載的方程； 而對于連續(xù)導(dǎo)通模式，電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系只是取決于輸入電壓和占空比。 在典型的應(yīng)用中，buck-boost功率級或者工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，或者工作 12 在非連

26、續(xù)導(dǎo)通模式。而對于一些特殊的應(yīng)用，選定一個(gè)導(dǎo)通模式后，功率級就 會維持在這種相同的模式工作。下一部分會給出功率級的電感關(guān)系，在已知給 定的輸入電壓、輸出電壓和輸出負(fù)載電流的范圍內(nèi)，讓它工作在一種導(dǎo)通模式。 圖 6 非連續(xù)導(dǎo)通模式下 buck-boost 轉(zhuǎn)換器波形圖 1.5 關(guān)鍵電感 前面對buck-boost轉(zhuǎn)換器的分析主要是在連續(xù)導(dǎo)通模式下和非連續(xù)導(dǎo)通模 式下的穩(wěn)態(tài)工作。轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通模式是輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和電感 值的函數(shù)。buck-boost轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時(shí)，一般都設(shè)定工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下，負(fù) 載電流都高于某個(gè)一定的水平，這個(gè)水平通常是全負(fù)載電流的5%到10%。輸入電 壓范圍、輸出

27、電壓和負(fù)載電阻通常都是由轉(zhuǎn)換器規(guī)格來確定，這樣電感值就成 了讓轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式的可設(shè)計(jì)參數(shù)。讓轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 的電感的最小值可以由下面的過程來確定。 首先，定義保持轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的最小輸出電流io(crit)， 13 通常是一個(gè)臨界電流，這個(gè)值在圖4中給出了。因?yàn)槲覀円玫诫姼械淖钚≈担?所以用電感電流的推導(dǎo)更加直接。保持連續(xù)導(dǎo)通 模式的電感電流平均值的最小值由下式給出： 第二，計(jì)算滿足上述關(guān)系的l。為了解出上面的方程，關(guān)系式中的il(+) 和 il() 都可以看作是il。同時(shí)還要注意，il的兩個(gè)關(guān)系式都跟輸出 電流水平無關(guān)，這里，采用il(+)。 現(xiàn)在代換并解出

28、lmin： 通過忽略小寄生電阻和二極管電壓降，上面的方程可以化簡為： 剛計(jì)算的電感值，就可以保證轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下，而且輸出負(fù) 載電流高于臨界電流水平io(crit)。 14 2 主電路設(shè)計(jì) buck-boost 變換器的主電路與 buck 或 boost 變換器所用元器件相同，也 由開關(guān)管、二極管、電感、電容等構(gòu)成，如圖 1 所示。與 buck 和 boost 不同的 是電感 l 在中間，不在輸出端也不在輸入端，且輸出電壓極性與輸入電壓極性 相反。開關(guān)管也采用 pwm 控制方式。 2.1 boost 主電路設(shè)計(jì) 圖 7 boost 變換器主電路圖 2.1.1 仿真參數(shù)計(jì)算 給定參數(shù)：

29、 名稱取值符號 輸入電壓： 3-6vvi 輸出電壓：15vvo 輸出功率：22.5wpo 工作頻率：100khzf 二極管壓降：0.8vvd 1）占空比的計(jì)算 穩(wěn)定工作時(shí)，開關(guān)周期導(dǎo)通期間電感電流的增加等于關(guān)斷期間電感電流的 減小。 當(dāng)輸入為 3v 時(shí) : 當(dāng)輸入為 6v 時(shí): 8.0 15 315 6.0 15 615 e v r lvd a) c io i1 ig uo b) ig io i1 o o t t 15 因此，的取值為 0.60.8。 2）電感量的計(jì)算： 設(shè)每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感初始電流等于輸出電流時(shí)的對應(yīng)電感量。 電感量 l： l 取 72h。 3）電容器的計(jì)算 ： c 取 0.

30、0003f。 2.2 buck-boost 主電路設(shè)計(jì) 圖 8 buck-boost 變換器主電路圖 2.2.1 仿真參數(shù)計(jì)算 本電路要求輸入電壓為 20v，輸出電壓為 1040v，輸出功率 p 為 160w，開 關(guān)頻率為 20khz。 占空比：由式（2-1）可得占空比 =33.366.6 o o ue u 輸出電流（二極管電流）的平均值：因?yàn)殡娙葑銐虼?，忽略電容電流，則 =4a o vdo u p ii 輸入電流（電感電流）的平均值 ii=10a。 電感：根據(jù)紋波電流為輸入電流平均值的 2.5%，可得在開關(guān)管導(dǎo)通期間電 感電流的增量為 il=0.502a，因此電感值 hl000048.06.

31、016.0 5.12 000001.015 2 fc00012.05.1 1 0001.08.0 vd o t b) e r l a) c v o t i1 i2 ul uo il i1 i2 tontoff il il 16 =0.13mh l te l i 電容：根據(jù)輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的 2.5%，可得在開關(guān)管導(dǎo)通期 間電容電壓的增量為 uo=2.5v，可得電容值 =1mf f o o u i c 開關(guān)管的選擇：流過開關(guān)管的電流最大值 =14a）（ 1 f21 i oo max l ui v 開關(guān)管承受的最大反向電壓為 40v，平均值為 25v，考慮一定的裕量，承受 的最大反向電

32、壓為 53.7v。 二極管的選擇：二極管所承受的最大電流和最大反向電壓與開關(guān)管的相同， 分別為 14a 和 53.7v。 17 3 仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設(shè)置 3.1 boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設(shè)置 圖 9 boost 變換器仿真模型 仿真參數(shù)：算法（solver）ode45s，相對誤差（relativetolerance）1e-3，開始時(shí) 間 0 結(jié)束時(shí)間 0.1。 18 電源設(shè)置：3v 電感參數(shù)設(shè)置：0.0000072h 電容參數(shù)設(shè)置：0.0023f 19 負(fù)載電阻設(shè)置:15v 22.5w 觸發(fā)脈沖設(shè)置：100khz 20 3.2 buck-boost 變換器仿真模型建

33、立與模塊參數(shù)設(shè)置 圖 10 buck-boost 變換器仿真模型 仿真參數(shù)：算法（solver）ode45s，相對誤差（relativetolerance）1e-3，開始時(shí) 間 0 結(jié)束時(shí)間 0.1 21 電源設(shè)置：20v 電感參數(shù)設(shè)置：0.00013h 電容參數(shù)設(shè)置：0.001f 22 負(fù)載電阻設(shè)置：40v 160w 輸出電壓為 40v 時(shí)，觸發(fā)脈沖：20khz 占空比 68.6% 23 輸出電壓為 10v 時(shí)，觸發(fā)脈沖：20khz 占空比 34% 24 4 仿真結(jié)果分析 4.1 boost 變換器仿真波形 15 20 25 il 0 10 20 ic 0 10 20 id 0.09840.

34、09840.09840.09850.09850.09850.09850.09850.0986 10 15 20 ud 圖 11 ic、il、id、ud 仿真波形 從圖中知道，電路電感工作在電流斷續(xù)模式，當(dāng)電感電流降為零時(shí)，由于 igbt 管間寄生電容作用，寄生電容放電與升壓電感形成震蕩，而產(chǎn)生圖 11 所 示凹槽。輸出電壓保持在 15v。0 5 10 15 20 il 0 0.5 1 1.5 2 2.5 io 0 5 10 15 20 25 ud 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 0 5 10 15 20 id 圖 12 分別為負(fù)載電流，負(fù)載電壓

35、的仿真波形 可以看出，輸出電壓經(jīng)過很短的震蕩時(shí)間后逐漸穩(wěn)定到 15v，符合題目要 求。在仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，負(fù)載電流數(shù)值穩(wěn)定在 1.5a 附近，為了看的更加清 晰，將其進(jìn)行局部放大，可見其值基本穩(wěn)定在 1.5a。 25 4.2 buck-boost 變換器仿真波形 0 5 10 15 ic 5 10 15 il 0 5 10 15 id 0.01550.01560.01570.01580.01590.016 30 40 50 ud 圖 13 輸出為 40v 時(shí)，ic、il、id、ud 仿真波形 經(jīng)過不同的參數(shù)設(shè)置， buck-boost 變換器電感電流連續(xù)，電路工作在連 續(xù)導(dǎo)通模式下，電容對輸

36、出波形起著很大作用，增大輸出電容可 使紋波減小， 且輸出電壓值與理論值的差距減小。結(jié)論：連續(xù)模式和非連續(xù)模式下仿真得到的電感 電流、輸出電壓變化規(guī)律均與理論推導(dǎo)一致。 0 50 100 ic -50 0 50 100 il 0 2 4 6 io 00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.018 -50 0 50 ud 圖 14 負(fù)載電流 io 仿真波形 圖 14 為仿真電路負(fù)載電流的波形，在仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，其數(shù)值穩(wěn)定在 4a 附近，為了看的更加清晰，將其進(jìn)行局部放大，電流的局部放大仿真圖，可 見其值基本穩(wěn)定在 4a。 -1 0 1 2 3 ic -

37、2 0 2 4 il -1 0 1 2 3 id 0.01390.01390.0140.0140.01410.01410.01420.01420.0143 0 10 20 ud 圖 15 輸出為 10v 時(shí)，ic、il、id、ud 仿真波形 分析結(jié)論和輸出為 40v 時(shí)一致。 26 27 總 結(jié) 由仿真結(jié)果不難得出，為了滿足系統(tǒng)最小的性能要求，器件的正確選擇十 分重要，由于加載電壓輸出電容在電場儲存能量，所以定性的說，電容的功能 就是試圖保持一個(gè)固定不變的電壓。通常選取buck-boost功率級的輸出電容值 使得把輸出電壓的紋波電壓限制在規(guī)格要求的水平。電容的串聯(lián)阻抗和功率級 的輸出電流決定了

38、輸出電壓的紋波。導(dǎo)致電容產(chǎn)生阻抗（和輸出電壓紋波）的 三個(gè)元素是等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感和電容。對于連續(xù)電感器電流模式下 的工作，為了確定電容值，需要知道它一個(gè)關(guān)于輸出負(fù)載電流io、開關(guān)頻率 fs、要求的輸出紋波電壓vo的函數(shù)，在假定所有的輸出電壓紋波都是由電容 器的電容產(chǎn)生的情況，這是因?yàn)樵诠β始夐_態(tài)（on），輸出電容器提供了所有 的輸出負(fù)載電流。對于非連續(xù)電感器電流模式下的工作，為了確定需要的電容 值，在假定所有的輸出電壓紋波都是由電容器的電容產(chǎn)生的情況，但是在很多 實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了得到需要的等效串聯(lián)電阻，通常都要選擇比我們計(jì)算出來 的電容值大的電容器。電感器的功能是儲存能量，電流流過

39、時(shí)能量會以磁場的 方式儲存下來，所以定性的說，電感器的作用就是試圖保持固定不變的電流值， 或者等效的說是限制流過電感器電流的變化率。選擇buck-boost功率級的輸出 電感器電感值主要是限制流過它的紋波電流的峰峰值。選擇以后，功率級的工 作模式，連續(xù)或非連續(xù)，就確定下來了。電感器紋波電流跟加載的電壓和加載 電壓的時(shí)間成正比，跟電感值成反比，除了電感值，在選擇電感器時(shí)需要考慮 的其它重要因素有最大直流或峰值電流和最大工作頻率。讓電感器在它的額定 直流電流內(nèi)工作對確保電感器不出現(xiàn)過熱或飽和很重要。電感器工作在低于最 大額定頻率可以保證不會超過最大內(nèi)部損耗，從而避免出現(xiàn)過熱或飽和。 功率開關(guān)的功能是控制從輸入功率源到輸出電壓的能量流動(dòng)。在buck- boost功率級，功率開關(guān)當(dāng)開關(guān)打開時(shí)連通輸入到電感器，開關(guān)關(guān)上時(shí)斷開連接。 功率開關(guān)必須在開時(shí)在輸出電感器傳導(dǎo)電流，關(guān)時(shí)阻止輸入電壓和輸出電壓的 差值。而且功率開關(guān)必須很快的完成一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而避免 在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)的功率損耗。這篇報(bào)告中考慮的功率開關(guān)類型是功率型金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（mosfet）。其它的功率器件也可以用，但是在大多數(shù) 情況下，在考慮到費(fèi)用和性能時(shí)（考慮驅(qū)動(dòng)電路時(shí)），mosfet是最好的選擇。 可以使用的mosfet有兩種類型：n通道型和p通道型。p通道型mosfet在buck- boost功率