BuckBoost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{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。2主電路拓撲和控制方式2.1 Buck/Boost主電路的構

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，也由開關管、二極管、電感、電容等構成，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，現假設電感足夠大，則在一個周期內電流連續(xù)。i2八i1VJLVDEUl；LCpUoR圖2-1Buck/Boost主電路結構圖電流連續(xù)時有兩個開關模態(tài)，即V導

3、通時的模態(tài)1,等效電路見圖2(a);V關斷時的模態(tài)2,等效電路見圖2(b)0VDJLC-IUo(b)V關斷，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2-3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)10ton: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=EdtUoRdUodtt=ton時，電感電流增大到最大值iLma

4、x,V關斷。在V導通期間電感電流增加量AiL為E丁LiL=：T在模態(tài)2tonT：t=ton時，V關斷，VD續(xù)流，電感L儲存的能量轉換為負載功率并給電容C充電，iL在輸出電壓U0的作用下下降：LdiLdt%Io=吟之t=T時，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又導通，轉入下一個工作周期。由此可見，Buck/Boost變換器的能量轉換有兩個過程：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轉移的過程。穩(wěn)態(tài)工作時，V導通期間iL增長量應等于V關斷期間iL的減少量，或一個工作周期內作用在電感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a<0.5,WJU<E;若a>0.5,貝UU>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I。之比為(2-2)IiIo1-二開關管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=EUoE_U1-工工(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,1Lma

6、xLiLmin-IL一;iL=Il一Eot2LfE(2-4)a2Lf(2-5)負載電流Io等于流過二極管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)開關管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因為電容很大，因此輸出電壓在一個開關周期內變化較小，則輸出電壓脈動量可用期間電容C放電量Q=IoaT計算，因Q=CAUo,故Io：(2-8)V導通(2-9)Cf3主電路參數的計算本電路要

7、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ot=Uo,則口為0.556。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=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E二T量為AiL=0.502A,因此電感值L=E=0.443mH.Ml電容：根據輸出紋波電壓為/&出電壓平均值的2.5%,可得在開關管導通期間

8、電容電壓的增量為AUo=2.5V,則由式（2-9）可得電容值C=絲=17.8uF。1-：2Lf開關管的選擇：流過開關管的電流最大值iVmax=J+2_（1_a）=18.27A,開關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關管的相同，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章計算的參數對相關的元器件進行設定并進行仿真。以下為仿真結果:-10','"H.JJl"*，AbWC.Al，7;111,/Ji7/卜

9、765432100.511.522.533.5-3x104rncI圖4-2輸出電流仿真圖（整體）圖4-2為仿真電路輸出電流的波形，可見在仿真運行一段時間后，其數值穩(wěn)定在7A8A之間，為了看的更加清晰，將其進行局部放大，如圖4-3為輸出電流的局部放大仿真圖，由可見其值基本穩(wěn)定在7.35A。7.5：L.1i1|'H|'-1：；：.1；：,1M；J1.1，11Jj1J111'J1i1,11-1|''r：；：/.J；：；,：,I：1：'i1：,i：,'；r；,-jl：1'；Il|',11J：,''"

10、9;'L.',：'1,'：1J：.11II1II11UIH1-|11III11I:-1;iII'|LJ|J,!u1111H11id：,/".r-1li."；.1：11J：V.1，-IIJ1：11,1-|11I11b11'11!rHI1111J-1,i11r：P111H：-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

11、電壓仿真圖（整體）圖4-4為仿真電路輸出電壓的波形，在仿真運行一段時間后，其數值穩(wěn)定在40V50V之間，為了看的更加清晰，將其進行局部放大，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-11614121086420.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02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，在仿真運行一段時間后，其數值穩(wěn)定在10A12A之間，為了看的更加清晰，將其進行局部放大，如圖4-7為電感電流的局部放大仿真圖，

12、由可見其值基本穩(wěn)定在11.45A。fneutfxt圖4-7電感電流仿真圖（局部放大）經過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,雖與計算值8A、50V有一定偏差，AUo<2.5V,AIo略大于0.502A,但紋波電流和紋波電壓都小于2.5%,可見仿真結果與設計要求基本符合。5結論本文給出了Buck/Boost直流變換器的主電路的結構圖、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，再利用MATLA酷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據進行比較，誤差值在規(guī)定范圍內，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MATLA歆件進行仿真，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