斬波變換器基礎四仿真

1、1 Buck變換器降壓式變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。圖 1-1 Buck變換器原理圖1.1Buck變換器仿真與參數(shù)計算降壓變壓器主電路參數(shù)：輸入電壓為200V,輸出電壓為25V，紋波電壓為輸出電壓的0.2%，負載電阻為20，工作頻率為50kHz。 (1-1)由已知參數(shù)帶入公式計算臨界電感 (1-2)這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，則電感連續(xù)，基準組我們要使電感電流連續(xù)可選為臨界電感的1.2倍，即為0.475mH。根據(jù)紋波的要求和電容計算公式可得電容值 (1-3)200200.2%0.4752605025%表1-1 Buck變換器仿真參數(shù)仿真模型建立如下，仿真

2、時間為0.1s,仿真算法為ode23t。圖1-2 Buck變換器仿真模型1.2 Buck變換器輸出波形及分析如下圖所示，電感電壓開關管導通電壓恒定為150V,當開關管關閉時，電感要阻礙電流的突然減小，于是電感中儲存的磁場能轉化電能，開始續(xù)流，電感電極性改變?yōu)?50V。因為電感大于臨界電感，電感儲能足夠在下個周期來臨前值恒大于零，不會造成電感電流斷續(xù)。輸出電壓小于理論要求電壓的50V,是因為反并聯(lián)二極管有一定的內阻和導通壓降造成的一定誤差。開關管電流和二極管電流按占空比交替導通。圖 1-3 Buck變換器仿真波形一(輸入20V，占空比25%，電感0.475mH，電容260uF)13改變參數(shù)及分析

3、變化原因（1）將電感值提升為9×10-4H，電感電流仍然連續(xù)，但是峰值有所降低，且紋波范圍有所減小。電流峰值降低是因為電感值大，由于自感產生的反電動勢阻礙了電流的增大。紋波范圍小是因為，是因為電感本身具有濾波的作用，由式1-3也可知道增大電感和電容或者減小開關頻率的倍數(shù)紋波范圍都會有所減小。圖 1-3Buck變換器仿真波形一(輸入20V，占空比25%，電感0.9mH，電容260uF)（2）將電感降至臨界電感值以下，所選電感值為0.1mH,仿真輸出波形如下。電感電流有一段時間處于斷續(xù)，但電流峰值增大。峰值增大是因為電感值減小所用于自感的電能小。又一方面電感值小，自感能力不足，電感的磁能

4、存儲能力不足以維持到下個開關周期到來，因而造成電感電流斷續(xù)。但是輸出電壓反而有所上升是因為，當電感電流小于Io時，并聯(lián)的電容開始放電保持住了波形且有所上升。也可以有公式1-4推到得出,導通的占空比不變，但是電感電流釋放的占空比減少，分母減少，分子與電源電壓不變，因為平均輸出電壓增大。 (1-4) (1-5)圖 1-2Buck變換器仿真波形一(輸入20V，占空比25%，電感0.1mH，電容260uF)(3)將占空比提高為50%，其他參數(shù)保持不變。由于導通時間的比例增加，電感以及電容所存儲的磁能與電場能都大大增加，平均輸出電壓增壓增至99.34V，各其他參數(shù)的峰值都有所增加。圖 1-5輸出電壓仿真

5、波形（輸入20V，占空比50%，電感0.475mH，電容260uF)2 Boost變換器升壓式變換器是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。通過控制開關管T的導通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。圖 2-1 Boost變換器原理圖2.1 Boost變換器仿真與參數(shù)計算升壓變換器的主電路參數(shù)：輸入電壓為6V,輸出電壓為15V，紋波電壓為輸出電壓的0.2%，負載電阻為10，工作頻率為40kHz。根據(jù)輸入輸出要求，可求得占空比 (2-1)由已知參數(shù)帶入公式計算臨界電感值 (2-2)這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，則電感連續(xù)，基準組我們要使電感電流連續(xù)可選為臨界電感的1.2倍，即為0.

6、015mH。根據(jù)紋波的要求和電容計算公式可得電容值 (2-3)6100.2%0.01514060%表1-1Boost變換器仿真參數(shù)仿真模型建立如下，仿真時間為0.1s,仿真算法為ode23t。圖 2-2 Boost變換器仿真模型2.2Boost變換器輸出波形及分析如下圖所示，當開關管導通時，直接電源給電感充電，電容給負載R放電，當開關管關閉時，直流電源和極性改變的電感一起給負載供電，以及電容C充電，且因所選電感大于臨界電感，因為電感電流連續(xù)導通恒大于零。圖 2-3 Boost變換器仿真波形一(輸入6V，占空比60%，電感0.015mH，電容1mF)23改變參數(shù)及分析變化原因（1）將電感值降到0

7、.006mH，在開關管關斷期間，因為電感值減小，電感電流不再始終連續(xù)，因為電感值減小，磁能儲存能力下降，所儲存的電能不夠維持到下個周期到來。當電感斷續(xù)時，電感電壓瞬間打的零位，而電容具有穩(wěn)壓性質開始放電，導致最后輸出電壓的平均值有所上升。圖 2-4 Boost變換器仿真波形一(輸入6V，占空比60%，電感0.006mH,電容1mF)（2）提高電容值，紋波值減小，由公式2-3也可得出該結論。圖2-5 Boost變換器仿真波形一(輸入6V，占空比60%，電感0.006mH，電容2mF)3 Buck-Boost變換器Buck-Boost變換器是一種輸出電壓既可以高于也可以低于輸入電壓的單管非隔離直流

8、變換器。圖 3-1 Buck-Boost變換器原理圖3.1 Buck-Boost變換器仿真和參數(shù)計算主電路參數(shù)：輸入電壓為20V的直流電壓，輸出電壓為1040V,要求紋波電壓為0.2%，開關頻率為20kHz,負載為20。(1)根據(jù)輸出最小電壓要求，可求得占空比 (3-1) (3-2) (3-3)(2)根據(jù)輸出最大電壓要求，可求得占空比 (3-4) (3-5) (3-6)建立在電感電流連續(xù)的情況下，因為電感與電容原件都取兩種情況中的最大值，且電感乘以1.2倍。故仿真電路參數(shù)選取=0.133mH,C=833uF。20200.2%0.1338332033.3%66.7%表3-1Buck-Boost變

9、換器仿真參數(shù)仿真模型建立如下，仿真時間為0.1s,仿真算法為ode23t。圖 3-2 Buck-Boost變換器仿真模型3.2Buck-Boost輸出波形及分析（1）如下圖所示，當開關管導通時，直接電源給電感充電，電容給負載R放電，當開關管關閉時，電感電壓極性改變給電容和負載供電。因為電感值大于最大臨界電感值，因此電感電流連續(xù)導通。由公式3-1可知，占空比超過50%，則就是對直流電壓進行一定增益的增壓。因此占空比為2/3，輸出電壓均值為39.75。有一定誤差，因為仿真中的開關管等器件并不是百分百理想器件。圖 3-3 Buck-Boost變換器升壓仿真波形（輸入20V，電感0,133mH,占空比

10、33.3%）（2）不同于升壓，降壓時的占空比低于50%,。根據(jù)公式3-1，根據(jù)輸入20V，輸出10V的條件可求得所需占空比為整個周期的1/3，所得輸出電壓波形如下圖。圖 3-4 Buck-Boost變換器降壓仿真波形（輸入20V，電感0,133mH,占空比66.7%）33改變參數(shù)及分析變化原因（1）將開關管的開通占空比調至50%，輸入輸出比例接近1:1，因此把占空比50%作為Buck-Boost電路升壓和降壓的分界點。圖 3-5 Buck-Boost變換器輸出電壓仿真波形（輸入20V，電感0,133mH,占空比50%）（2）將電感值調至0.02mH造成電感電流斷續(xù)，輸出電壓明顯增加，各電流峰值

11、也增加數(shù)倍，造成改波形原因與上述Boost電路電感電流不連續(xù)時的情況類似。圖 3-6 Buck-Boost變換器升壓仿真波形（輸入20V，電感0,02mH，占空比66.7&）（3）增大電阻阻值至40歐，輸出電壓不變，各電流均值與峰值下降，且造成電感電流斷續(xù)。圖 3-6 Buck-Boost變換器升壓仿真波形（電阻40，輸入20V，電感0,02mH，占空比66.7&）4 Cuk變換器 Cuk變換器的輸出電壓可以高于、等于或低于輸入電壓，其大小主要取決于開關管T的占空比。圖4-1 Cuk變換器原理圖4.1Cuk變換器仿真與參數(shù)計算主電路參數(shù)參數(shù)：輸入是一個20V的直流電壓，輸出電壓

12、為530V，開關頻率為10kHz,負載為1，電容C1為4700uF，C2為3300uF，電感都選133uH。根據(jù)公式4-1計算可得，輸出5V，占空比為20%；輸出30V,占空比選取60%。 (4-1) (4-2)2010.1330.133470033001020%60%表1-1 Boost變換器仿真參數(shù)仿真模型建立如下，仿真時間為0.2s,仿真算法為ode23t。圖 3-2 Cuk變換器仿真模型4.2 波形輸出（1）升壓壓仿真波形輸出如下圖 4-3 Cuk變換器升壓仿真波形（輸入20V，占空比60%，電感0.133uH）（2）降壓仿真波形輸出如下圖 4-4 Cuk變換器降壓仿真波形（輸入20V，占空比20%，電感0.133mH）43改變參數(shù)及分析變化原因（1）同時提高電感到200uH。對比電感為133uH時，紋波為