Boost和Buck-Boost變換器的設計與計算機仿真-精品

1、電力電子系統(tǒng)的計算機仿真 總結(jié)報告總結(jié)報告 題目：題目： boost 和 buck-boost 變換器的設計與計算機仿真 2 一、綜合訓練設計內(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 的基本應用，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)值運算，程序設計及繪 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 模型庫及其應用。 （5）能夠使用 simpowersystems 模型庫進行電力電子電路的仿真分析。 2設計

2、部分 （1）設計一個升壓變壓器，輸入電壓為 3-6v，輸出電壓 15v，負載電阻為 10 歐姆，要求電壓連續(xù)。根據(jù)上述要求完成主電路設計。 （2）設計一個 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計，開關(guān)器件選用 mosfit，開關(guān) 頻率 20khz，負載為 10 歐姆。 （3）完成上述升壓變化器的計算機仿真，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、不同仿真條件時輸入輸出的變化情況、和 理論分析的結(jié)果進行比較。 4.選作：使用 psim 仿真軟件完成上述仿真。 二、綜合訓練總結(jié)報告必須

3、提交的成果 （1）綜合訓練總結(jié)報告（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）主電路設計詳細過程與圖紙。 5）仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設置。6）仿真結(jié)果的分析。7）總結(jié)。8） 參考文獻。9）體會。 （2）綜合訓練總結(jié)報告要求用 a4 頁面打印，小四宋體，單倍行距，采用 word 默認的邊距，仿真模型、模塊參數(shù)設置、仿真結(jié)果等都要在總結(jié)報告中進行詳 細說明。 3 前 言 電力電子學是綜合應用電工理論、電子技術(shù)及控制理論等，利用電力電子 (功率半導體)器件控制或變換電能，以達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)系弱電與強電的紐 帶，電力電子技術(shù)提供了控制電功率流動與改變電能形態(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)都得到了廣泛應用。隨著功率半導 體制造技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)，以及控制理論的不斷進步，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。這篇報告只介紹降壓升壓（buck- boost）功率級，不包含控制電路。詳細介紹了工作在連續(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，同時也介紹了標準 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撲的變型。電源布局主要是指這 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， 另一個主要特性就是占空比輸出電壓的傳輸函數(shù)的頻率響應。 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 n 通道的金屬氧化物半導體場效應管（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)導通模式分析.6 1.4 buck-boost 穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導通模式

7、分析 .9 1.5 關(guān)鍵電感.12 2 主電路設計.14 2.1 boost 主電路設計 .14 2.2 buck-boost 主電路設計 .15 3 仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設置.17 3.1 boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置 .17 3.2 buck-boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置 .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.28 心得體會.29 元器件明細表.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，但在實際應用中，往往要求電流不斷續(xù)，即電流連續(xù)，當電路 中電感值足夠大時，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)假設電感足夠大，則在一個周期內(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)時間內(nèi)，重復的打開、 關(guān)上。在 q1、cr1 和 l 的連結(jié)節(jié)點處，開關(guān)動作產(chǎn)生了一個脈沖序列。電感 l 跟輸出電容 c 相連，只有在 cr1 導通時，一個有效的 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，整個開關(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)的一部分時間電感電流為 0，它在整個周期內(nèi)從 0 開始，達到一個峰值后，再回到 0. 這兩種模式稍后再詳細探討，在給出額定負載情況下如何選擇電感值，

10、來 保證工作在選定模式的設計指導書也會提供。對于轉(zhuǎn)換器來說，在預期工作條 件下只保持希望的工作模式是很理想的，因為在兩種不同工作模式下功率級的 頻率響應變化相差很大。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 半導體場效應管（mosfet），驅(qū)動電路打開場效應管（fet）時，q1 的柵極和 6 漏極間加上正的電壓 vgs(on)，采用 n 通道場效應管的優(yōu)勢在于它的低導致電 阻 rds(on)，但是驅(qū)動電路就更加復雜，因為需要浮動電極。而同樣大小的 p 通道場效應管有較高的 rds(on) ，通常也不需要浮動電極回路。晶體管 q1 和 二極管 cr1 畫在點劃線方框里面，終端接口標為

11、a，p 和 c，這些會在 buck boost 功率級模型部分詳細講到。 1.3 buck-boost 穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式分析 緊接著介紹buck-boost 的穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式分析，這部分主要目的就是給 出一個buck-boost 穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式下電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導。這是很重要的， 因為它揭示了輸出電壓怎樣由占空比和輸入電壓決定，或者相反，怎樣基于輸 入電壓和輸出電壓來計算占空比。穩(wěn)態(tài)說明輸入電壓、輸出電壓、輸出負載電 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)導通模式，buck-boost轉(zhuǎn)換器保證每個開關(guān)周期有兩個功率態(tài)，當 q1是開、cr1是關(guān)時，就是開態(tài)（on

12、）；當q1是關(guān)而cr1是開時，就是關(guān)態(tài) （off）。在每個狀態(tài)中，當回路中的開關(guān)被等價回路所代替時，一個簡單的線 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)時有兩個開關(guān)模態(tài)，即 v 導通時的模態(tài) 1，等效電路見圖 2（a） ； v 關(guān)斷時的模態(tài) 2，等效電路見圖 2（b） 。 開態(tài)的時間為 dts = ton，其中 d 為由控制回路設定的占空比，代表了 開關(guān)在開態(tài)的時間占整個開關(guān)周期（ts）的比值。關(guān)態(tài)的時

13、間叫 toff，因為對 7 于連續(xù)導通模式下在整個開關(guān)周期中只有兩個狀態(tài)，所以 toff 等于(1d) ts ，數(shù)值（1d）有時被成為 d，這些時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。在這段時間 cr1 是關(guān)的，因為它是反向偏置的。 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，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 時間內(nèi)電感電流的增加。 在開態(tài)（on）時間內(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，同時注意在此期間，所有的輸出負載 電流由輸出電容 c 提供。 參考圖 2，當 q1 關(guān)時，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?，打開的時候，這時電感 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，這時從輸出電容和負載電阻的組合，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載電阻中電流導 致 vo 為負電壓。在關(guān)態(tài)（off）時，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，這個加載電壓必須是負的（或者在開態(tài) （on）時為極性相反的加載電壓），因為輸出電壓為負的。因此，電感電流在 off 態(tài)時是減小的，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，在一個周期到下一個周期，電感電流 就會有一個凈的增加量或者減小量，這就不是一個穩(wěn)態(tài)了。所以，這兩個方程 必須相等，從而求出vo，得到連續(xù)導通下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)導通模式

17、下成立 的，在我們以后分析到非連續(xù)導通模式下就可以看到。 我們還發(fā)現(xiàn)，il的兩個值相互相等的假定，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間來 確定的。這是用已知的電路參數(shù)來計算像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，輸出電壓默認為常數(shù)定值，在 on時間和off時間內(nèi)沒有交流紋波電壓。這是一個常用的簡化，涉及到兩方面的 假設，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。這些假設是合理的，因為設計的 交流紋波電壓是遠小于輸出電壓的直流部分的。 9 上面vo的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系表明一個事實，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時也接近0，在d接近1時逐漸增加而沒有限制。一 個常用的簡化就是假定vds，vd和rl足夠小，可以忽略。假設vds, vd和rl等于 0，上面的式子就可以簡單地看作為： 一個簡單定性的想象電路工作的方法就是把電感看作是一個能量儲存單元， 當q1打開時，能量加到電感器上，當q1關(guān)上時，電感就把它儲存的一部分能量 輸送到輸出電容和負載上。輸出電壓就通過設定q1的開關(guān)時間來控制，例如， 增大q1開的時間

19、，輸送到電感的能量就增加，在q1關(guān)時有越多的能量輸出，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。這樣在整個開關(guān)周期內(nèi)的電流平均值就等于輸出 電流，因為輸出電容中的電流平均值必須等于0. 在buck-boost功率級的連續(xù)導通模式中，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，因為 電感紋波電流il是跟輸出負載電流無關(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，當電感電流的平均值由于負載電流降低 而減小2a時，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)導通模式下）。 現(xiàn)在就停止對buck-boost能量級在連續(xù)導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，主要任務是buck-boost能量級 在非連續(xù)導通模式下電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導。 1.4 buck-boost 穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導通模式分析 現(xiàn)在我們研究當導通模式從連續(xù)變?yōu)榉沁B續(xù)，負載電流降低時會發(fā)生什么， 回想連續(xù)導通模式，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確 的隨著

21、電感電流平均值變化。 如果輸出負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，因為紋波電流的 峰峰值幅度并不隨著輸出負載電流變化。在buck-boost能量級，如果電感電流 試圖減低到0以下時，它會停在0（因為cr1只能有單向電流通過），并保持為0 直到下一個開關(guān)周期的開始。這個工作模式就叫做非連續(xù)導通模式。一個工作 在非連續(xù)導通模式下的功率級在一個開關(guān)周期內(nèi)有三個狀態(tài)，相比下連續(xù)導通 模式只有兩個狀態(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時并馬上開始下個開

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，因為io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 輸出負載電流的繼續(xù)下降把功率級變?yōu)榉沁B續(xù)導通模式，在圖5中說明這種情況。 非連續(xù)導通模式的功率級頻率響應跟在連續(xù)導通模式下的頻率響應非常不一樣， 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，會在下面的推導中看出來。 圖 5 非連續(xù)電流模式 在開始推導buck-boost功率級非連續(xù)導通模式下電壓轉(zhuǎn)換比之前，先回想 一下在非連續(xù)導通模式下工作的轉(zhuǎn)換器的三種狀態(tài)。在q1開，cr1關(guān)時，是開態(tài) （on）；在q1關(guān)，cr1開時

23、，是關(guān)態(tài)（off）；在q1和cr1都關(guān)時，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體場效 應管（mosfet）開態(tài)下的電壓降都足夠小，可以忽略。 11 開態(tài)（on）的時間ton = d ts，d為占空比，由控制電路來設定，表征 開關(guān)開態(tài)內(nèi)的時間與開關(guān)周期總時間ts的比值。關(guān)態(tài)（off）的時間toff = d2 ts，空閑態(tài)（idle）的時間就是開關(guān)周期內(nèi)的剩余時間，即為tston toff = d3 ts。在

24、圖6中給出這三種時間和響應的波形。 跟前面一樣，沒有進行詳細的解釋，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，因為在非連續(xù)模式下，每個 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。所以這兩個方程相等，解出vo，從而 由這兩個方程中第一個來解出電壓轉(zhuǎn)換比： 現(xiàn)在我們來計算輸出電流（輸出電壓vo除以負載電阻r）。它是在cr1導通 時間內(nèi)（d2 ts）整個開關(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)在我們有兩個方程，一個就是剛得到的輸出電流（vo除以r），一個就是 用vi ， d和d2來表示的輸出電壓。從每個方程中解出d2，然后令它們相等，再 解這個方程就可以得到輸出電壓的表達式vo。 非連續(xù)導通模式下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通模式的主要不同，對于非連續(xù)導通模式， 電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系是輸入電壓、占空比、功率級電感、開關(guān)頻率和輸出負載的方程； 而對于連續(xù)導通模式，電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系只是取決于輸入電壓和占空比。 在典型的應用中，buck-boost功率級或者工作在連續(xù)導通模式，或者工作 12 在非連

26、續(xù)導通模式。而對于一些特殊的應用，選定一個導通模式后，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、輸出電壓和輸出負載電流的范圍內(nèi)，讓它工作在一種導通模式。 圖 6 非連續(xù)導通模式下 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)導通模式下和非連續(xù)導通模 式下的穩(wěn)態(tài)工作。轉(zhuǎn)換器的導通模式是輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和電感 值的函數(shù)。buck-boost轉(zhuǎn)換器設計時，一般都設定工作在連續(xù)導通模式下，負 載電流都高于某個一定的水平，這個水平通常是全負載電流的5%到10%。輸入電 壓范圍、輸出

27、電壓和負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)導通模式的可設計參數(shù)。讓轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導通模式 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)導通模式下的最小輸出電流io(crit)， 13 通常是一個臨界電流，這個值在圖4中給出了。因為我們要得到電感的最小值， 所以用電感電流的推導更加直接。保持連續(xù)導通 模式的電感電流平均值的最小值由下式給出： 第二，計算滿足上述關(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。同時還要注意，il的兩個關(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： 剛計算的電感值，就可以保證轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導通模式下，而且輸出負 載電流高于臨界電流水平io(crit)。 14 2 主電路設計 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 主電路設計 圖 7 boost 變換器主電路圖 2.1.1 仿真參數(shù)計算 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）占空比的計算 穩(wěn)定工作時，開關(guān)周期導通期間電感電流的增加等于關(guān)斷期間電感電流的 減小。 當輸入為 3v 時 : 當輸入為 6v 時: 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）電感量的計算： 設每個開關(guān)周期內(nèi)電感初始電流等于輸出電流時的對應電感量。 電感量 l： l 取 72h。 3）電容器的計算 ： c 取 0.

30、0003f。 2.2 buck-boost 主電路設計 圖 8 buck-boost 變換器主電路圖 2.2.1 仿真參數(shù)計算 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：因為電容足夠大，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)的設置 3.1 boost 變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置 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 間 0 結(jié)束時間 0.1。 18 電源設置：3v 電感參數(shù)設置：0.0000072h 電容參數(shù)設置：0.0023f 19 負載電阻設置:15v 22.5w 觸發(fā)脈沖設置：100khz 20 3.2 buck-boost 變換器仿真模型建

33、立與模塊參數(shù)設置 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 間 0 結(jié)束時間 0.1 21 電源設置：20v 電感參數(shù)設置：0.00013h 電容參數(shù)設置：0.001f 22 負載電阻設置：40v 160w 輸出電壓為 40v 時，觸發(fā)脈沖：20khz 占空比 68.6% 23 輸出電壓為 10v 時，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，當電感電流降為零時，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 分別為負載電流，負載電壓

35、的仿真波形 可以看出，輸出電壓經(jīng)過很短的震蕩時間后逐漸穩(wěn)定到 15v，符合題目要 求。在仿真運行一段時間后，負載電流數(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，ic、il、id、ud 仿真波形 經(jīng)過不同的參數(shù)設置， buck-boost 變換器電感電流連續(xù)，電路工作在連 續(xù)導通模式下，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 負載電流 io 仿真波形 圖 14 為仿真電路負載電流的波形，在仿真運行一段時間后，其數(shù)值穩(wěn)定在 4a 附近，為了看的更加清晰，將其進行局部放大，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，ic、il、id、ud 仿真波形 分析結(jié)論和輸出為 40v 時一致。 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。導致電容產(chǎn)生阻抗（和輸出電壓紋波）的 三個元素是等效串聯(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，需要知道它一個關(guān)于輸出負載電流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，這是因為在功率級開態(tài)（on），輸出電容器提供了所有 的輸出負載電流。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 實際的設計中，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 電壓的時間成正比，跟電感值成反比，除了電感值，在選擇電感器時需要考慮 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。在buck- boost功率級，功率開關(guān)當開關(guān)打開時連通輸入到電感器，開關(guān)關(guān)上時斷開連接。 功率開關(guān)必須在開時在輸出電感器傳導電流，關(guān)時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狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而避免 在開關(guān)轉(zhuǎn)換時間內(nèi)的功率損耗。這篇報告中考慮的功率開關(guān)類型是功率型金屬 氧化物半導體場效應管（mosfet）。其它的功率器件也可以用，但是在大多數(shù) 情況下，在考慮到費用和性能時（考慮驅(qū)動電路時），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