BuckBoost變換器的設(shè)計(jì)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(BuckChopper)升壓斬波電路(BoostChopper)、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(shí)具有Buck斬波電路和Boost斬波電路的特點(diǎn)，能對(duì)直流電直接進(jìn)行降壓或者升壓變換，應(yīng)用廣泛。本文將對(duì)Buck/Boost升降壓斬波電路進(jìn)行詳細(xì)的分析。2主電路拓?fù)浜涂刂品绞?.1 Buck/Boost主電路的構(gòu)

2、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(kāi)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(kāi)關(guān)管也采用PW棉制方式。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)。i2八i1VJLVDEUl；LCpUoR圖2-1Buck/Boost主電路結(jié)構(gòu)圖電流連續(xù)時(shí)有兩個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，即V導(dǎo)

3、通時(shí)的模態(tài)1,等效電路見(jiàn)圖2(a);V關(guān)斷時(shí)的模態(tài)2,等效電路見(jiàn)圖2(b)0VDJLC-IUo(b)V關(guān)斷，VD續(xù)流圖2-2Buck/Boost不同模態(tài)等效電路2.2 電感電流連續(xù)時(shí)的工作原理及基本關(guān)系電感電流連續(xù)工作時(shí)的工作主要波形見(jiàn)圖2-3圖2-3電感電流連續(xù)時(shí)的主要波形為了方便分析，假設(shè)電感、電容的值足夠大，并且忽略電感的寄生電容。電感電流連續(xù)工作時(shí)，Buck/Boost變換器有V導(dǎo)通和V關(guān)斷兩種工作模態(tài)。在模態(tài)10ton:t=0時(shí)，V導(dǎo)通，電源電壓E加在電感L上，電感電流線(xiàn)性增長(zhǎng)，二極管VD截止，負(fù)載電流有電容C提供：L=EdtUoRdUodtt=ton時(shí)，電感電流增大到最大值iLma

4、x,V關(guān)斷。在V導(dǎo)通期間電感電流增加量AiL為E丁LiL=：T在模態(tài)2tonT：t=ton時(shí)，V關(guān)斷，VD續(xù)流，電感L儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率并給電容C充電，iL在輸出電壓U0的作用下下降：LdiLdt%Io=吟之t=T時(shí)，iL減小到最小值iLmin,在tonT期間iL的減小量為iL=Uft0f=Uf(1T)T此后，V又導(dǎo)通，轉(zhuǎn)入下一個(gè)工作周期。由此可見(jiàn)，Buck/Boost變換器的能量轉(zhuǎn)換有兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)是V開(kāi)通L儲(chǔ)存能量的過(guò)程，第二個(gè)是電感能量向負(fù)載和電容C轉(zhuǎn)移的過(guò)程。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，V導(dǎo)通期間iL增長(zhǎng)量應(yīng)等于V關(guān)斷期間iL的減少量，或一個(gè)工作周期內(nèi)作用在電感L上電壓的伏秒面積為零，有Uo_

5、:(2-1)E1-二由式(2-1)知，若a=0.5,WJU=E;若a0.5,WJU0.5,貝UUE。若不計(jì)變壓器損耗，則輸入電流平均值Ii和輸出電流的平均值I。之比為(2-2)IiIo1-二開(kāi)關(guān)管V截止時(shí)，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(shí)所承受的電壓Uce=Uvd=EUoE_U1-工工(2-3)由圖3可見(jiàn)，電感電流平均值IL等于V和VD導(dǎo)通期間流過(guò)的電流平均值IV和IVD之和,即i.ILmaxLminIL=IvIVD2“L=iLmax-iLmin=?電感電流最大值iLmax和最小值iLmin分別為i.=I,1LmaxLiLmin-IL一;iL=Il一Eo

6、t2LfE(2-4)a2Lf(2-5)負(fù)載電流Io等于流過(guò)二極管VD電流的平均值IVD,即在t=tonT期間，電感電流的平均值為(2-6)Io=Ua=Il(1-c()Ri=L：(2-7)開(kāi)關(guān)管V和二極管VD電流的最大值ivmaGivDma等于電感電流的最大值iLmax1 .IcUc/.、“max-iVDmax=iLmax-1L-iL-12 1-：2Lf因?yàn)殡娙莺艽?，因此輸出電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變化較小，則輸出電壓脈動(dòng)量可用期間電容C放電量Q=IoaT計(jì)算，因Q=CAUo,故Io：(2-8)V導(dǎo)通(2-9)Cf3主電路參數(shù)的計(jì)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

7、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(kāi)關(guān)頻率為100kHz占空比：由式（2-1）可得占空比ot=Uo,則口為0.556。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=IVD-=8A。由式（2-2）可得，輸入電流（電感電流）的平均值Ii=10.02Ao電感：根據(jù)紋波電流為輸入電流平均值的2.5%,可得在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流的增E二T量為AiL=0.502A,因此電感值L=E=0.443mH.Ml電容：根據(jù)輸出紋波電壓為/&出電壓平均值的2.5%,可得在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電容電壓的增量為AUo=2.5V,則由式（2-9）可得電容值C=絲=

8、17.8uF。1-：2Lf開(kāi)關(guān)管的選擇：流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流最大值iVmax=J+2_（1_a）=18.27A,開(kāi)關(guān)管承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(kāi)關(guān)管的相同，分別為18.27A和63.7V。4MATLA明真用MATLA歆件搭建如下仿真圖，按第3章計(jì)算的參數(shù)對(duì)相關(guān)的元器件進(jìn)行設(shè)定并進(jìn)行仿真。以下為仿真結(jié)果:-10,H.JJl*，AbWC.Al，7;111,/Ji7/卜765432100.511.522.533.5-3x104rncI圖4-2輸出電流仿真圖（整體）圖4-2為仿真電

9、路輸出電流的波形，可見(jiàn)在仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，其數(shù)值穩(wěn)定在7A8A之間，為了看的更加清晰，將其進(jìn)行局部放大，如圖4-3為輸出電流的局部放大仿真圖，由可見(jiàn)其值基本穩(wěn)定在7.35A。7.5：L.1i1|H|-1：；：.1；：,1M；J1.1，11Jj1J111J1i1,11-1|r：；：/.J；：；,：,I：1：i1：,i：,；r；,-jl：1；Il|,11J：,L.,：1,：1J：.11II1II11UIH1-|11III11I:-1;iII|LJ|J,!u1111H11id：,/.r-1li.；.1：11J：V.1，-IIJ1：11,1-|11I11b1111!rHI1111J-1,i11r：P

10、111H：-Lnj!1iiII|I|M7.457.47.37.255.65.75.85.966.1圖4-3輸出電流仿真圖（局部放大）7.-3x1060-100聞，K/fL.y士/*7/504030201000.511.522.533.5-3X10neDllsd圖4-4輸出電壓仿真圖（整體）圖4-4為仿真電路輸出電壓的波形，在仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，其數(shù)值穩(wěn)定在40V50V之間，為了看的更加清晰，將其進(jìn)行局部放大，如圖4-5為輸出電壓的局部放大仿真圖，由可見(jiàn)其值基本穩(wěn)定在47.9V。圖4-5輸出電壓仿真圖（局部放大）18A-4-“1VwuuwfwrwvMvn-11614121086420.0020.

11、0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02圖4-6電感電流仿真圖（整體）圖4-6為仿真電路電感電流的波形，在仿真運(yùn)行一段時(shí)間后，其數(shù)值穩(wěn)定在10A12A之間，為了看的更加清晰，將其進(jìn)行局部放大，如圖4-7為電感電流的局部放大仿真圖，由可見(jiàn)其值基本穩(wěn)定在11.45A。fneutfxt圖4-7電感電流仿真圖（局部放大）經(jīng)過(guò)MATLA的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(jì)算值8A、50V有一定偏差，AUo2.5V,AIo略大于0.502A,但紋波電流和紋波電壓都小于2.5%,可見(jiàn)仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求基

12、本符合。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(shí)的主要波形，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，按照要求計(jì)算出了主電路元器件的相關(guān)參數(shù)，再利用MATLA酷建仿真線(xiàn)路圖進(jìn)行仿真，得出仿真波形，從仿真出的波形圖與計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差值在規(guī)定范圍內(nèi)，可見(jiàn)此設(shè)計(jì)時(shí)比較成功的。心得體會(huì)通過(guò)這一周對(duì)Buck/Boost變換器的課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)Buck/Boost直流斬波電路工作原理的理解，也豐富了我對(duì)直流-直流變換器的認(rèn)識(shí)，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(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的斬波電路。除此之外，通過(guò)使用MATLA歆件進(jìn)行仿真，讓我了解了MATLA阻款軟件了工作環(huán)境、工作面板，一定程度上了解了MATLAB勺使用和操作方法，為日后對(duì)此軟件的使用打下了基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)在我們的生活中應(yīng)用十分廣泛且占有重要地位，我們一