500W升壓斬波電路設(shè)計與仿真(DOC)

1、500W升壓斬波電路設(shè)計與仿真摘要：本文對Boost升壓斬波電路的工作原理進行了詳盡分析，并用Visio軟件做出電路在電感電流連續(xù)工作時的主要波形，并根據(jù)電路需要完成的任務(wù)進行參數(shù)計算，最后用Matlab/simulink軟件搭建主電路，根據(jù)所計算的參數(shù)對用到的元器件進行參數(shù)設(shè)定，對Boost電路進行仿真。關(guān)鍵詞：Boost升壓斬波電路；Visio軟件；Matlab/simulink軟件；仿真500WboostchoppingcircuitdesignandsimulationAbstract.Inthispapertheboostchoppingcircuitworkingprinciple

2、isdiscussedindetail,andusingVisiosoftwaretomakethecircuitintheinductorcurrentdiscontinuousoperationwhenthemainwaveform,andaccordingtothecircuitneedtocompletethetaskparametercalculation,finallyusestheMatlab/simulinksoftwaretobuildthemaincircuit,accordingtotheparametersofthecomponentsusedtosetparamete

3、rs,toboostchoppercircuitsimulation.Keywords:Boostchopper;Visiosoftware;Matlab/simulinksoftware;Simulation1序言近年來，不斷進步的計算機技術(shù)為現(xiàn)代控制技術(shù)在實際生產(chǎn)、生活中提供了強有力的技術(shù)支持，新的材料和結(jié)構(gòu)器件又促進了電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，且在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)(PowerElectronicsTechnology)是研究電能變換原理及功率變換裝置的綜合性學(xué)科，包括電壓、電流、頻率和波形變換，涉及電子學(xué)、自動控制原理和計算機技術(shù)等學(xué)科。咼功率密度、咼效、咼可靠性、體積

4、小、重量輕等特點的開關(guān)電源已在航空航天、通信、計算機等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的核心是開關(guān)變換器，對開關(guān)變換器的建模和控制方法顯然是對電路分析設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)電力電子中的直流變換器(DC-DCConverter)在電力電子中占有非常大的地位，在電力電子中應(yīng)用非常廣泛。直流-直流變流電路又叫斬波電路，包括六種基本斬波電路：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。在這里以升壓斬波電路為例進行分析。2Boost主電路拓?fù)浜涂刂品绞?.1Boost主電路的構(gòu)成

5、升壓斬波電路(BoostChopper)的主電路原理如圖1，Boost變換器是輸出電壓V高于或等于輸入電壓V的直流變換器，其主電路由oin四個元器件構(gòu)成，其中電路中電感L在輸入端稱為升壓電感。開關(guān)管V為PWM工作，其占空比不允許超過1，Boost電路工作是由于升壓電感值大小的不同，出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，但在實際應(yīng)用中主要要求電感值足夠大，使Boost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)升壓感足夠大，在一個周期內(nèi)電流連續(xù)。DVinvv匚VLVJmricf11C圖1Boost電路工作原理圖電流連續(xù)時有兩個開關(guān)模態(tài)，即V導(dǎo)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

6、效電路見圖2(b)。VinDioiLfLfWv+v'VinL(a)V導(dǎo)通(b)D續(xù)流圖2Boost開關(guān)模塊的等效電路2.2電感電流連續(xù)工作時的基本關(guān)系電感電流連續(xù)工作時的工作主要波形見圖3。VGE>ttoff圖3主要工作波形為了分析方便，在此忽略電感的寄生電阻，且假設(shè)濾波電容足夠大。t=0時刻，V導(dǎo)通，v全部加在L上，i增加，負(fù)載功率由C儲infLff能提供；t=t時，i達到最大值i，關(guān)斷V，i通過二極管D向負(fù)onLfLfminLf載流動，電源功率和電感儲能一起向C和負(fù)載R轉(zhuǎn)移，C充電，i減ffLfILfLfmin小，當(dāng)t=T時，i=i，此后V及再次導(dǎo)通進入下一次循環(huán)周期。LfL

7、fmina，diLf=V/dtin_vlinaTLfLLfV導(dǎo)通時，設(shè)占空比為痕，電感iLf的增量為。i，則電壓方程為21)(22)V關(guān)斷時，電壓方程和電感電流i的減少量i為:LfLf(23)diLf=V-V/dt°in(24)ni=VoZV(1-a)TLfL在電路工作穩(wěn)態(tài)時，在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流增加量應(yīng)等于下降量，因此(25)V _1oV 1ain若不計變換器損耗，則(26)I_1inI1ao上式中的I和I分別為Boost變換器的輸入電流和輸出電流。流ino過L的電流的平均值為：f(27)i+i(28)LfminLfmaxLf2I二ILfin由于濾波電容足夠大，所以流過二極管

8、的平均電流等于輸出電流，艮卩(29)(210)(211)I-1-V,DoR流過開關(guān)管IGBT的電流的平均值為：aIIIIIIVLfDino1ao流過開關(guān)管和二極管電流的最大值為:.I(1a)aVlllo+oVmaxDmaxLfmax1a2Lf開關(guān)管和二極管截止時承受的電壓等于輸出電壓，即V二V二VVDo輸入電流脈動等于電感電流脈動，即(212)(213).VVi=ii=inoa(la)inLfminLfmin因為電容很大，因此輸出電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)變化較小，則輸出電壓脈動量可用V導(dǎo)通期間c的放電量q來計算，q二IaT，又fCfCfo有Q二CnV，故得(214)勺fDoanV=IoCfof由上

9、式可見，當(dāng)占空比a接近1時，輸出電壓趨于無窮大。3主電路參數(shù)計算本電路要完成的功能為：輸入電壓為48V,輸出電壓為100V，輸出功率P為500W，輸入紋波電流為輸入電流平均值的2%,輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的2%,開關(guān)頻率為100kHZ。占空比：根據(jù)式a=1-Xn可得占空比a=0.52。Vo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=I=p=5AOoDVo輸入電流（電感電流）的平均值：I=I丄=10.4Aoino1a升壓電感的選擇：根據(jù)紋波電流為輸入電流平均值的2%，可得在開關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流的增量為i=0416A，因此電感值為LfTVaTL=0.6mHofniL

10、f濾波電容的選擇：根據(jù)輸出電壓和輸出電流可得負(fù)載電阻為R=20q，根據(jù)輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的2%，可得濾波電容值為C=VoaT=6.5F。fRVo極管的選擇：流過二極管的電流最大值i=I+05=10.608A，其平均值I=10.608/1.57=6.76A,為保定maxLfLfD一定的裕量，二極管應(yīng)承受的最大電流為13.34A；二極管承受的最大反向電壓為100V，其平均值為63.7V,為保持一定的裕量，承受最大反向電壓為127.4V。開關(guān)管的選擇：開關(guān)管能承受的最大電流為13.34A,能承受的最大反向電壓為127.4V。4電路的仿真通過Matlab/simulink對電路進行建模，然后

11、根據(jù)所求參數(shù)改動器件相應(yīng)參數(shù)進行仿真，并與預(yù)期目的進行比較，然后改動占空比大小，在進行仿真。(1) 首先打開Matlab/Simulink軟件，然后再點擊菜單欄的“file”新建一個模型庫。(2) 打開SimPowerSystems中的ElectricalSources找到直流電源(DCVoltageSources)，然后加到新建的模型庫中。(3) 在Elements中找到ParallelRLCBranch，添加到新建模型庫中，一共添加三個，然后分別雙擊此元件進行設(shè)置，分別設(shè)置成R、L、Co(4) 在PowerElectronics中找到二極管(Diode)和IGBT，并添加到模型庫中。(5)

12、 在Simulink庫中找到示波器(scope)、脈沖源、Continus、電壓表和電流表并添加到模型中。(6) 根據(jù)圖1進行連線，得到仿真電路如圖4,并根據(jù)所計算的參數(shù)對相應(yīng)的元器件進行參數(shù)設(shè)置。仿真時，仿真時間設(shè)定為0.008s,算法選擇ode23tb(stiff/TR-BDF2)進行仿真。仿真所得輸出電壓波形如圖5：神、1命畑淵£尿瞬腳；:嘩|;帛肘麗旳梆/.(1iJ*/JT/120100806040201.51iTimeoffset:003-3x10仿真結(jié)果的局部放大圖如圖6：-3x1010310210-1i1111IIJ1':.1a'-11IIIl11i,;

13、l:;!|1111111111PlJ111*1J11Jiu'II10(J1:111-.1111:i1;:11I1:if'11f>iH11!tI1|1f1.IIIIIIr:|N：:-:11:11991111«,I1-.:'.；11111rpli11*iLJl.,1:1:i.：i；i:N)iiifni1J111-:.1I:：198'11J1111:1y1;1;t1iiIu¥1LI11=1-1；:!il1|IIi(i|r1|'ll:./U1：L97J.i1i1-1：i11r11196951.351.41.451.51.551.61.6

14、5iTimeoffset:1.7由放大圖可得輸出電壓的最大值101V,最小值為97V,因此可得輸出電壓平均值為99V。所得結(jié)果與預(yù)期所得結(jié)果100V近似，在誤差允許范圍內(nèi)輸出結(jié)果滿足要求。11.811.61'、J11i11,ii：:r.I：.hJii：；II1HI:冷I;.:,1:1:1''!1.1.rx；rjUn|JqIiflji!川1yj1I'il'l11I1IJ1,：i11'!|ll:.-!J.:-：，-ii:1.1'-H.:1,11;1H11Voi廠；J汕訂忖11J11:i:11i<1Ii1"111.411.21110.810.61.710.410.2ITimeoffset:-3x10輸入電流與輸出電流仿真結(jié)果如圖7和圖8：由圖可見輸入電流最大值為11.2A，最小值為10.8A，則輸入電流平均值為11A；輸出電流最大值為5.05A，最小值為4.85A，則輸出電流平均值為4.95A，輸入電流與輸出電流在誤差范圍內(nèi)均滿足要求。5.3x105結(jié)論通過對Boost進行指定參數(shù)的仿真，得到的輸出電壓、輸入電流和輸出電壓的仿真結(jié)果有一定的誤差，但都在所設(shè)計的紋波電流和紋波電壓所允許范