Buck_Boost變換器的設計及仿真

1、1 概述直流 - 直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電， 包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 其中，直接直流變流電路又叫斬波電路， 它包括降壓斬波電路( Buck Chopper )、升壓斬波電路( Boost Chopper) 、升降壓斬波電 路(Buck/Boost )、Cuk斬波電路、 Sepic 斬波電路和 Zeta斬波電路共六種基本斬波電路。 Buck/Boost 升降壓斬波電路同時具有 Buck 斬波電路和 Boost 斬波電路的特點，能對直流 電直接進行降壓或者升壓變換，應用廣泛。本文將對 Buck/Boost 升降壓斬波電路進行詳 細的分析。i1

2、ViLEULLCUOVi2VDR（b）V關斷， VD續(xù)流圖 2-2 Buck/Boost 不同模態(tài)等效電路2 主電路拓撲和控制方式2.1 Buck/Boost 主電路的構(gòu)成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

3、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)。i2VDi1iLULUO R圖 2-1 Buck/Boost 主電路結(jié)構(gòu)圖電流連續(xù)時有兩個開關模態(tài)，即模態(tài) 2，等效電路見圖 2（b）。V 導通時的模態(tài) 1，等效電路見圖 2（a）；V關斷時的Ra） V導通2.2 電感電流連續(xù)時的工作原理及基本關系電感電流連續(xù)工作時的工作主要波形見圖 2-3UGEiLtonILT iLmax ii iLminiViLmaxiLminiVDiLmax iiLminULEUOttttt圖 2-3 電感電流連續(xù)時的主要波形為了方便分析，假設電感、電容的值足夠大，并且忽略電感的寄生

4、電容。 電感電流連續(xù)工作時， Buck/Boost 變換器有 V 導通和 V 關斷兩種工作模態(tài)。 在模態(tài) 10t on：t=0 時， V導通，電源電壓 E加在電感 L 上，電感電流線性增長，二極管 VD截止，負 載電流有電容 C 提供：L di EdtUoRdUdtt=t on時，電感電流增大到最大值 i Lmax，V關斷。在 V導通期間電感電流增加量 iL為iL E T在模態(tài) 2t onT ：t=t on時， V關斷， VD續(xù)流，電感 L儲存的能量轉(zhuǎn)換為負載功率并給電容 C充電 ， i L 在輸出電壓 Uo 的作用下下降：L diLL dtiL C dUo Io C dUo UoL dt o

5、 dt Rt=T時， i L減小到最小值 i Lmin，在 t onT期間 i L的減小量為 iL為 iL ULo toff ULo (1 )T此后， V 又導通，轉(zhuǎn)入下一個工作周期。由此可見， Buck/Boost 變換器的能量轉(zhuǎn)換有兩個 過程：第一個是 V開通 L儲存能量的過程， 第二個是電感能量向負載和電容 C轉(zhuǎn)移的過程。穩(wěn)態(tài)工作時， V導通期間 i L增長量應等于 V關斷期間 i L 的減少量，或一個工作周期內(nèi) 作用在電感 L 上電壓的伏秒面積為零，有U o(2-1)E1由式( 2-1 )知，若 =0.5 ，則Uo=E；若 <0.5 ，則Uo<E；若 >0.5 ，則

6、Uo>E。若不計變 壓器損耗，則輸入電流平均值 Ii 和輸出電流的平均值 Io之比為Io 1-2-2)開關管 V 截止時，加于集電極和發(fā)射極間電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，這也是二極管 VD截止時所承受的電壓Uce UVD E Uo E U o1-2-3)由圖 3可見，電感電流平均值 IL等于 V和VD導通期間流過的電流平均值 I V和I VD之和， 即i Lmax iLminIL Lmax2 Lmin IV IVDiL i Lmax iLminLEf電感電流最大值 i Lmax和最小值 i Lmin 分別為 1EiLmax I L 1 iL I L E LmaxL 2 L L 2Lf1

7、E iLmin ILiL I LLmin L 2 L L 2Lf2-4)2-5)負載電流 I o等于流過二極管 VD電流的平均值 I VD，即在 t=t onT期間，電感電流的平均值 為Io Uo I(L 1 )2-6)（2-7）開關管 V和二極管 VD電流的最大值 i Vmax、i VDmax等于電感電流的最大值 i LmaxiVmaxiVDmaxi Lmax1 I UIL 1 i L IoUo（1 ）L 2 L 1 2Lf因為電容很大，因此輸出電壓在一個開關周期內(nèi)變化較小，則輸出電壓脈動量可用 期間電容 C放電量 QC=I oT計算，因 QC=C·Uo，故Cf（2-8）V導通（2

8、-9）3 主電路參數(shù)的計算 本電路要求輸入電壓為 40V，輸出電壓為 50V，輸出功率 P為 400W，輸入紋波電流為 輸入電流平均值的 2.5%，輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的 2.5%，開關頻率為 100kHZ。占空比：由式（ 2-1 ）可得占空比Uo ，則 為 0.556E U o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I o IVD=8A。由式（ 2-2 ）可得，輸入電流（電感電流）的平均值 I i =10.02A。電感：根據(jù)紋波電流為輸入電流平均值的 2.5%，可得在開關管導通期間電感電流的增ET量為 iL=0.502A，因此電感值 L E T =0.44

9、3mH。 iL電容：根據(jù)輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的 2.5%，可得在開關管導通期間電容電壓 的增量為 Uo=2.5V，則由式（ 2-9 ）可得電容值 C Io =17.8uF。Uof 開關管的選擇：流過開關管的電流最大值 iVmax I oUo（1 ）=18.27A，開關管承1 2Lf 受的最大反向電壓為 50V，平均值為 31.85V，考慮一定的裕量，承受的最大反向電壓為 63.7V。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管的相同，分別為 18.27A 和 63.7V。4 MATLAB仿真用 MATLAB軟件搭建如下仿真圖，按第 3 章計算的參數(shù)對相關的元器件進行設定并

10、進 行仿真。以下為仿真結(jié)果：65432圖 4-2 輸出電流仿真圖（整體）x 107.5圖 4-3 輸出電流仿真圖（局部放大）605040302010-10-3圖 4-4 輸出電壓仿真圖（整體）x 10圖 4-5 輸出電壓仿真圖（局部放大）圖 4-6 電感電流仿真圖（整體）11.8圖 4-7 電感電流仿真圖（局部放大）經(jīng)過 MATLAB仿真得出的輸出電流平均值為 7.35A ，輸出電壓平均值為 47.9V，電感電 平均值為 11.45A，雖與計算值 8A、50V 有一定偏差， Uo<2.5V， Io 略大于 0.502A，但 紋波電流和紋波電壓都小于 2.5%，可見仿真結(jié)果與設計要求基本符

11、合。5 結(jié)論本文給出了 Buck/Boost 直流變換器的主電路的結(jié)構(gòu)圖、在電感電流連續(xù)時的主要波 形，并對其工作原理進行了詳細的分析，按照要求計算出了主電路元器件的相關參數(shù)，再 利用 MATLAB搭建仿真線路圖進行仿真，得出仿真波形，從仿真出的波形圖與計算出的數(shù) 據(jù)進行比較，誤差值在規(guī)定范圍內(nèi)，可見此設計時比較成功的。心得體會通過這一周對 Buck/Boost 變換器的課程設計，加深了我對 Buck/Boost 直流斬波電路 工作原理的理解，也豐富了我對直流 - 直流變換器的認識，讓我知道除了 Buck斬波電路、 Boost 斬波電路之外，還有其他功能強大且應用廣泛的斬波電路。除此之外，通過使用 MATLAB軟件進行仿真，讓我了解了 MATLAB這款軟件了工作環(huán)境、工作面板，一定程度上 了解了 MATLAB的使用和操作方法，為日后對此軟件的使用打下了基礎。電力電子技術在 我們的生活中應用十分廣泛且占有重要地位，我們一定要學好它。參考文獻1 王兆安，劉進軍 . 電力電子技術 M. 北京：機械工業(yè)出版