Boost和Buck-Boost變換器的設計與計算機仿真

電力電子系統(tǒng)的計算機仿真——總結報告題題Boost和Buck-Boost變換器的設計與計算機仿PAGEPAGE16一、綜合訓練設計內(nèi)容及技術要求MATLAB部分（1）熟悉Matlab使用環(huán)境。（2）初步掌握Matlab的基本應用，包括數(shù)據(jù)結構，數(shù)值運算，程序設計及繪圖等。（3）熟悉Simulink系統(tǒng)仿真環(huán)境，包括Simulink工作環(huán)境，基本操作，仿真模型，仿真模型的子系統(tǒng)，重要模塊庫等。Simpowersystems模型庫及其應用。Simpowersystems模型庫進行電力電子電路的仿真分析。設計部分（1）設計一個升壓變壓器，輸入電壓為3-6V，輸出電壓15V，負載電阻為10歐姆，要求電壓連續(xù)。根據(jù)上述要求完成主電路設計。（2）Buck-Boost20V的直流電源，輸出范圍為10~40V,要求電感電流連續(xù)。根據(jù)上述要求完成主電路設計，開關器件選用關頻率20KHz，負載為10歐姆。（3）完成上述升壓變化器的計算機仿真，觀察輸出電壓電流波形、系統(tǒng)輸入電流波形、電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時輸入輸出的變化情況、和理論分析的結果進行比較。4.PSIM仿真軟件完成上述仿真。二、綜合訓練總結報告必須提交的成果綜合訓練總結報告（不少于20頁，約一萬字左右）需包括：1）2）3）4）5）6）仿真結果的分析。7）8）9）體會。A4頁面打印，小四宋體，單倍行距，采用word前言電力電子學是綜合應用電工理論、電子技術及控制理論等，利用電力電子（功率半導體）器件控制或變換電能，以達到合理而高效率地使用能源。它是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。電力電子技術是近年來最活躍的研究領域之一。作為聯(lián)系弱電與強電的加廣闊。開關電源由功率級和控制電路組成，功率級完成從輸入電壓到輸出電壓的基本能量轉換，它包括開關和輸出濾波器。這篇報告只介紹降壓–升壓（Buck-Boost）功率級，不包含控制電路。詳細介紹了工作在連續(xù)模式和非連續(xù)模式下Buck-Boost功率級的穩(wěn)態(tài)和小信號分析，同時也介紹了標準Buck-Boost功率級的不同變型，并討論了功率級對組成部件的要求。開關電源最常見的三種結構布局是降壓（Buck）、升壓（Boost）和（Buck-Boost），這三種布局都不是相互隔離的，也就是說，函數(shù)的頻率響應。在介紹了脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關模型后，給出了占空比–輸出電壓Buck-Boost功率級Q1n通道的金屬氧化物半導體場效應管（MOSFE）TCR1LCESR（等效串聯(lián)電阻）,RC,和電感DCRLR目錄1主電路工作原理說明5BUCK-BOOST主電路的構成 5BUCK-BOOST穩(wěn)態(tài)分析 5BUCK-BOOST穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式分析 6BUCK-BOOST穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導通模式分析 9關鍵電感 12主電路設計 142.1BOOST主電路設計 142.2BUCK-BOOST主電路設計 15仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設置 17BOOST變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置 17BUCK-BOOST變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置 20仿真結果分析 24BOOST變換器仿真波形 24BUCK-BOOST變換器仿真波形 25總結 27參考文獻29心得體會30元器件明細表 311 主電路工作原理說明Buck-Boost主電路的構成Buck-BoostBuckBoost變換器所用元器件相1Buck和BoostLPWMBuck-Boost圖1Buck-Boost主電路原理圖Buck-BoostQ1Q1CR1L的連結節(jié)點處，開關動作產(chǎn)生了一個脈沖序列。電感 LCCR1L/CBuck-Boost穩(wěn)態(tài)分析功率級可以在連續(xù)電感器電流和非連續(xù)電感器電流模式下工作，連續(xù)電感器電流模式在穩(wěn)態(tài)工作時，整個開關周期內(nèi)都有電流連續(xù)通過電感器；非連續(xù)電感器電流模式是開關周期內(nèi)的一部分時間電感電流為0，它在整個周期內(nèi)從0開始，達到一個峰值后，再回到0.n（MOSFE）T，驅動電路打開場效應管（FET）Q1的柵極和漏極間加上VGS（ON，）n通道場效應管的優(yōu)勢在于它的低導致電阻RDS（on）pRDS（on）Q1CR1apc，BUCK–BOOSTBuck-Boost穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式分析Buck-Boost的穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式分析，這部分主要目的就Buck-Boost穩(wěn)態(tài)連續(xù)導通模式下電壓轉換關系的推導。這是很量名。在連續(xù)導通模式，Buck-Boost轉換器保證每個開關周期有兩個功率Q1CR1是關時，就是開態(tài)（ON）；Q1CR1是開時，就是關態(tài)（OFF）i1iLV i1iLLU ULOa）圖2Buck-Boost狀電流連續(xù)時有兩個開關模態(tài)，即V導通時的模態(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）。開態(tài)的時間為D×TS=TON，其中D為由控制回路設定的占空比，代表了開關在開態(tài)的時間占整個開關周期（TS）的比值。關態(tài)的時間叫TOFF，因為對于連續(xù)導通模式下在整個開關周期中只有兩個狀態(tài)，所以TOFF(1–D)×TS，數(shù)值(1–D)有時被成為D'，這些時間與波形一起顯示在圖3中。3連續(xù)模式下Buck-Boost2ON態(tài)，Q1RDS(ON，VDS=IL×RDS(on)。同時電感器的直流電阻上的電壓降也IL×RLVI(VDSIL×RL)LCR1的。電感電流IL，從輸入源VI流出，經(jīng)過Q1，到地。在開(ON)態(tài)，加VI–VDS–ILRL2中IL3TON時ON:ΔIL(+)C提供。2Q1LQ1CR1。隨著電感電流的減小，電CR1L(VO–Vd–ILRL)VdCR1ILCR1到地。注意CR1的方向和電感中電流的流向意味著輸出電容和負載電阻中電導致VO為負電壓。在關(OFF)時，電感兩端的電壓為定數(shù)，且為(VO–Vd–IL×RL)，為了保證同樣極性的轉換，這個加載電壓必須是負(或者在開態(tài)( ON)時為極性相反的加載電壓)，因為輸出電壓為負的。因此，電感電流在OFF態(tài)時TOFF間內(nèi)電感電流的減小見圖3.在關態(tài)(OFF)電感電流的減小可以由下式求得:ΔIL(–也代表了電感的紋波電流。ONΔIL(+)OFF)下的ΔIL(–必須是相等的。否則，在一個周期到下一個周期，電感電流就會有一個凈的增加量或者減小量，這就不是一個穩(wěn)態(tài)了。所以，這兩個方程必須相等，從而求出VOBuck-BoostVO:TON+TOFFTS，并利有D=TON/TS和(1–D)=TOFF/TS，VO的穩(wěn)態(tài)方程可變?yōu)?注意在上式的化簡中，用到了TON+TOFFTSΔIL-VOD等未知值的最好ΔIL(+)和ΔIL(–的方程中，輸出電壓默認為常數(shù)定ONOFFESR)造成的電壓也可以忽略。這些假設是合理的，因為設計的交流紋波電壓是遠小于輸出電壓的直流部分的。VODD00，在D1時逐漸增加而沒有限制。一VDS，VdRLVDS,Vd和RL0一個簡單定性的想象電路工作的方法就是把電感看作是一個能量儲存單Q1Q1Q1的開關時間Q1Q1不像降壓（Buck）功率級，電感電流的平均值并不等于輸出電流。想知23，注意電感只有在能（OFF）0.Buck-Boost:或者ΔIL2A2A（假定）。現(xiàn)在就停止對Buck-Boost能量級在連續(xù)導通模式下電感電流的分析了，在接下來的部分描述在非連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)工作，主要任務是Buck-Boost能量級在非連續(xù)導通模式下電壓轉換關系的推導。Buck-Boost穩(wěn)態(tài)非連續(xù)導通模式分析現(xiàn)在我們研究當導通模如果輸出負載電流減小到臨界電流水平以下，在開關周期的一部分時間03Buck-Boost如果電感電流試圖減低到0以下時，它會停在0（因為CR1只能有單向電流通過），并保持為0直到下一個開關周期的開始。這個工作模式就叫做非連續(xù)導通模式。一個工作在非連續(xù)導通模式下的功率級在一個開關周期內(nèi)有三個狀態(tài)，相比下續(xù)導通模式只有兩個狀態(tài)。功率級在連續(xù)模式和非連續(xù)模式的分界處電感電流的條件見圖 4，這也是00時并馬上開始下個開關周期的地4IOIO（Crit）IOIL有相反的極性。4連續(xù)模式和非連續(xù)模式的分界線5不一樣，這會在Buck-Boost功率級模型部分給出；而且，輸入到輸出的關圖5非連續(xù)電流模式Buck-BoostQ1開，CR1關時，是開態(tài)（ON）；Q1CR1開時，是關態(tài)（OFF）；Q1CR1都關時，是空閑態(tài)（IDLE）2中顯示的電路也適用，只是TOFF（1D）×TS。開關周期的剩余時間（IDLE）（MOSFE）T開態(tài)（ON）TON=DTS，DTS的比值。關態(tài)（OFF）的時間TOFF=D2TS（IDLE）為TS–TON–TOFF=D3×TS6中給出這三種時間和響應的波形。跟前面一樣，沒有進行詳細的解釋，電感電流增加和減少的方程直接在下面給出。在開態(tài)（ON）內(nèi)電感電流的增加為:ΔIL（+）Ipk0開始的。在關態(tài)（OFF）內(nèi)電感電流的減小為:跟在連續(xù)導通模式下一樣，開態(tài)（ON）ΔIL（+），和關態(tài)（OFF）ΔIL（–）VO（VOR）CR1（D2TS）整個開關周期上的電感電流的平均值。把IPK（ΔIL（+））的關系代入上式，可以得到現(xiàn)在我們有兩個方程，一個就是剛得到的輸出電流（VOR），VIDD2D2，然后令VO。式，可以得到非連續(xù)導通模式下Buck-Boost功率級電壓轉換關系為從上面的關系式可以看出兩種導通模式的主要不同，對于非連續(xù)導通模式，電壓轉換關系是輸入電壓、占空比、功率級電感、開關頻率和輸出負載的方程；而對于連續(xù)導通模式，電壓轉換關系只是取決于輸入電壓和占空比。在典型的應用中，Buck-Boost功率級或者工作在連續(xù)導通模式，或者在一種導通模式。圖6非連續(xù)導通模式下Buck-Boost轉換器波形圖關鍵電感Buck-Boost轉換器的分析主要是在連續(xù)導通模式下和非連續(xù)導通Buck-Boost5%10%首先，定義保持轉換器工作在連續(xù)導通模式下的最小輸出電流IO(Crit)4中給出了。因為我們要得感電流平均值的最小值由下式給出：第二，計算滿足上述關系的L。為了解出上面的方程，關系式中的ΔIL(+)和ΔIL(–)都可以看作是ΔIL。同時還要注意，ΔIL的兩個關系式都跟輸出電流水平無關，這里，采用ΔIL(+)?，F(xiàn)在代換并解出Lmin：通過忽略小寄生電阻和二極管電壓降，上面的方程可以化簡為：剛計算的電感值，就可以保證轉換器工作在連續(xù)導通模式下，而且輸出負載電流高于臨界電流水平IO(crit) 。PAGEPAGE202 主電路設Buck-Boost

計

Buck或Boost變換器所用元器件相1Buck和BoostLPWM控制方式。Boost主電路設計仿真參數(shù)G計算給定參 O名稱i名稱io取值3-6V輸入電壓：輸出電壓：輸出功率：O工作頻率：二極管壓降：I15V符號ViVo122.5W100KHzb)0.8VPotfVd

圖7Boost變a器主電路圖當輸入為3V時:當輸入為6V時:

1531515615

0.80.6因此，的取值為0.6~0.8。電感量。電感量L：150.00000121.5

0.610.62

0.000048HL取72μH。3）C取0.0003F。

0.80.0001 1.50.00012Buck-Boost主電路設計

i2VDILi1uL uo圖8Bucka-）oost變換器主電路圖1仿真參數(shù)計算1i

tontoffIL20V10~40VP為160W，開關頻率為20kHz。o占空比：由式（2-1）可得占i2 UoIL EU

=33.3~66.6則輸出電流（二極o 管電流）的平均值：因為電容足夠大，忽t略電容，則電流I I =4Ao V）i輸入電流（電感電流）I=10Ai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量為IΔLi=0.502A

LET

=0.13mHiL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ΔUo=2.5V，可得電容值IoCo=1mFUof開關管的選擇：流過開關管的電流最大值iVmax Io Uo（1）=14A12Lf開關管承受的最大反向電壓為40V，平均值為25V，考慮一定的裕量，承受的最大反向電壓為53.7V。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14A和53.7V。3 仿真模型的建立、各模塊參數(shù)的設置Boost變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置圖9Boost變換器仿真模型仿真參數(shù)：算法(solver)ode45s，相對誤差(relativetolerance)1e-3，開始時間0結束時間0.1。2121電源設置：3V電感參數(shù)設置：0.0000072H電容參數(shù)設置：0.0023F:15V22.5W100KHz22PAGEPAGE30Buck-Boost變換器仿真模型建立與模塊參數(shù)設置圖10Buck-Boost變換器仿真模型仿真參數(shù)：算法(solver)ode45s，相對誤差(relativetolerance)1e-3，開始時間0結束時間0.1電源設置：20V電感參數(shù)設置：電容參數(shù)設置：0.001F輸出電壓為40V時，觸發(fā)脈沖：20KHz占空比68.6%負載電阻設置：40V輸出電壓為10V時，觸發(fā)脈沖：20KHz占空比34%4 仿真結果分析Boost變換器仿真波形IL圖11Ic、IL、Id、Ud仿真波形20 IL15從圖中知道，電路電感工作在電流斷續(xù)模式，當電感電流降為零時，由于IGB0

T管間寄生電容作用，寄生電容放電與升壓電感形成震蕩，而產(chǎn)生圖11所示5凹槽。輸出電壓保持在15V。5020

Id圖12分別為負載電流，Id負載電壓的仿真波形可以看出，輸出電壓經(jīng)過很短的震蕩時間后逐漸穩(wěn)15V，符合題目要求。定到51.5A附近，為了看的更加清晰，0 0.01

0.03 0.04 0.05 0.06 0.070.080.09將其 進行局 部 放大， 可見其 值 基本 穩(wěn) 定

1.5A。Buck-Boost變換器仿真波形Ic15圖13輸出為40VIc、IL、Id、UdIc1550Buck-Boost變換器電感電流連續(xù)，電路工作在0連續(xù)導通模式下，電容對輸出波形起著很大作用，增大輸出電容可使紋10 0 IL波減小，且輸出電壓值與理論值的差距減小。結論：連續(xù)模式和非連續(xù)模式下50仿真得到的電感電流、輸出電壓變化規(guī)律均與理論推導一致。0-50Io圖14負載電流Io仿真014值穩(wěn)定在-5000.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.016

0.018見其值基本穩(wěn)定在4A。Ic圖15輸出為10V時，Ic、IL、Id、Ud仿真波形分析結論和輸出為40V時一致。26PAGEPAGE36總結Buck-Boost功率級的輸（和輸出電壓紋波）IOfSΔVO的函數(shù)，在假定所有的（ON），輸出電容器提供了所有的輸出負載電流。對于非連續(xù)電感器電流模式下的工作，為了確定需要的電容值，在假定所有的輸出電壓紋波都是由電容器的電容產(chǎn)生的情況，但是在很多實際的設計中，為了得到需要的等效串聯(lián)電阻，通常都要選擇比我們計算出來的電容值大的電容器。電感器的功能是儲存能量，電流流過時能量會以磁場的方式儲存下來，所以定性的說，電感器的作用就是試圖保持固定不變的電流值，或者等效的說是限制流過電感器電流的變化率。選擇Buck-Boost功率級的輸出電感器電感值主要是限制流過它的