500W升压斩波电路设计与仿真(DOC)

1、500W 升压斩波电路设计与仿真摘要：本文对 Boost 升压斩波电路的工作原理进行了详尽分析，并用Visio 软件做出电路在电感电流连续工作时的主要波形，并根据电路 需要完成的任务进行参数计算，最后用 Matlab/simulink 软件搭建主 电路，根据所计算的参数对用到的元器件进行参数设定，对 Boost 电路进行仿真。关键词：Boost 升压斩波电路；Visio 软件；Matlab/simulink 软件； 仿真500W boost chopping circuit design and simulationAbstract：In this paper the boost choppi

2、ng circuit working principleis discussed in detail, and using Visio software to make the circuit in thein ductor curre nt disc ontinu ous operati on whe n the main waveform, andaccord ing to the circuit n eed to complete the task parameter calculati on,fin ally uses the Matlab/simuli nk software to

3、build the mai n circuit,accord ing to the parameters of the comp onents used to set parameters, toboost chopper circuit simulati on.Key words: Boost chopper;Visio software; Matlab/simulinksoftware; Simulation1序言近年来，不断进步的计算机技术为现代控制技术在实际生产、生 活中提供了强有力的技术支持，新的材料和结构器件又促进了电力电 子技术的飞速发展，且在各行业中得到广泛的应用。电力电子技术

4、(Power Electro nics Tech no logy )是研究电能变换原理及功率变换 装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉及电子学、 自动控制原理和计算机技术等学科。高功率密度、高效、高可靠性、体积小、重量轻等特点的开关电 源已在航空航天、通信、计算机等各个领域得到了广泛的应用。开关 电源的核心是开关变换器，对开关变换器的建模和控制方法显然是对 电路分析设计的关键环节电力电子中的直流变换器(DC-DC Converter )在电力电子中占有非常大的地位，在电力电子中应用非 常广泛。直流-直流变流电路又叫斩波电路，包括六种基本斩波电路： 降压斩波电路(Buck Cho

5、pper )、升压斩波电路(Boost Chopper)、 升降压斩波电路(Buck-Boost )、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。在这里以升压斩波电路为例进行分析。2. Boost 主电路拓扑和控制方式2.1 Boost 主电路的构成升压斩波电路(Boost Chopper)的主电路原理如图 1，Boost 变 换器是输出电压Vo高于或等于输入电压Vn的直流变换器，其主电路由 四个元器件构成，其中电路中电感Lf在输入端称为升压电感。开关管 V 为 PWMC作，其占空比不允许超过 1，Boost 电路工作是由于升压 电感值大小的不同，出现电流连续和断续两种情况，

6、但在实际应用中 主要要求电感值足够大，使 Boost 电路工作在电流连续的状态下。因 此为了分析方便，现假设升压感足够大，在一个周期内电流连续。LfDio电流连续时有两个开关模态，即 V 导通时的模态 1,等效电路见图 2(a); V 关断时的模态 2,等效电路见图 2 (b)。2.2 电感电流连续工作时的基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图3*VicfCf4r+；R+图 1 Boost 电路工作原理图Vin-J-+VinCf - R11(b) D 续流图 2 Boost 开关模块的等效电路(a) V 导通ViniLfLfDioVGE图 3 主要工作波形为了分析方便，在此忽略电感的寄生

7、电阻，且假设滤波电容足够 大。t=0 时刻，V 导通，Vin全部加在Lf上,iLf增加，负载功率由Cf储 能提供；t=ton时，iLf达到最大值iLfmin，关断 V 咕通过二极管 D 向负 载流动，电源功率和电感储能一起向Cf和负载 R 转移，Cf充电，咕减 小，当 t=T 时，二Lf min，此后 V 及再次导通进入下一次循环周期。V 导通时，设占空比为：，电感iLf的增量为LiLf，则电压方程为Lf f（2-1）dtLiLf二如订（2-2）LfV 关断时，电压方程和电感电流iLf的减少量LiLf为：:Lf-=VoVin（2-3）dt(1 )Vo -ViniLf -(1-：)TLf(2-4

8、)在电路工作稳态时，在一个开关周期内，电感电流增加量应等于下降量，因此Vo _1Vin1-二(2-5)若不计变换器损耗，则hn _1Io1 -：(2-6)上式中的I.和Io分别为 Boost 变换器的输入电流和输出电流。流 过Lf的电流的平均值为：t iLf miniLf maxlLf2(2-7)1Lf 1in(2-8)由于滤波电容足够大，所以流过二极管的平均电流等于输出电流，即卩lt 亠IDIO-R流过开关管 IGBT 的电流的平均值为:aIV= ILf- ID= Iin- IoIo1 -a流过开关管和二极管电流的最大值为:(2-9 )(2-10)iiiIo.(1-：) Voiii1V ma

9、xD max Lf max1-：2Lff(2-11 )开关管和二极管截止时承受的电压等于输出电压，即乂=VD=Vo(2-12)输入电流脉动等于电感电流脉动，即lin一 洽miniLf min- 0(Lff Lff(2-13)(1 )因为电容很大，因此输出电压在一个开关周期内变化较小， 则输 出电压脉动量可用 V 导通期间Cf的放电量Qcf来计算，Qf=I八T,又 有Qcf二CfLV。，故得LVoIo（2-14）Cff由上式可见，当占空比 接近 1 时，输出电压趋于无穷大。3主电路参数计算本电路要完成的功能为：输入电压为 48V,输出电压为 100V,输 出功率 P 为 500W 输入纹波电流为

10、输入电流平均值的 2%输出纹波 电压为输出电压平均值的 2%开关频率为 100kHZ占空比：根据式-Vin可得占空比二。52。Vo输出电流（二极管电流）的平均值：因为电容足够大，忽略电容 电流，贝卩lo=lD=5A）Vo输入电流（电感电流）的平均值：lin=1。丄=10.4A。1 -Ct升压电感的选择：根据纹波电流为输入电流平均值的2%可得在开关管导通期间电感电流的增量为LiLf=0.416A，因此电感值为滤波电容的选择：根据输出电压和输出电流可得负载电阻为R=2E，根据输出纹波电压为输出电压平均值的2%可得滤波电容值为二极管的选择：流过二极管的电流最大值im a=xJ0 L5=L1Q.608

11、A，其平均值ID=10.608/1.57=6.76A，为保定LfVin：TLiLf=0.6mH。CfVo：TRVo=6.5JF。一定的裕量，二极管应承受的最大电流为13.34A;二极管承受的最 大反向电压为 100V,其平均值为 63.7V，为保持一定的裕量，承受最 大反向电压为 127.4V。开关管的选择：开关管能承受的最大电流为13.34A，能承受的最大反向电压为 127.4V。4电路的仿真通过 Matlab/simulink 对电路进行建模，然后根据所求参数改动 器件相应参数进行仿真，并与预期目的进行比较，然后改动占空比大 小，在进行仿真。(1) 首先打开 Matlab/Simulink

12、软件，然后再点击菜单栏的“file ”新建一个模型库。(2) 打开 SimPower Systems 中的 Electrical Sources 找到直流 电源(DC Voltage Sources )，然后加到新建的模型库中。(3) 在 Eleme nts 中找到 Parallel RLC Bran ch ，添加到新建模型 库中，一共添加三个，然后分别双击此元件进行设置，分别设置成 R、 L、Co在 Power Electronics中找到二极管(Diode )和 IGBT,并添加到模型库中。(5) 在 Simulink 库中找到示波器(scope)、脉冲源、Continus、 电压表和电流

13、表并添加到模型中。(6) 根据图 1 进行连线，得到仿真电路如图 4,并根据所计算的 参数对相应的元器件进行参数设置。衍申I陽Ix 10仿真时，仿真时间设定为 0.008s ,算法选择 ode23tb(stiff/TR-BDF2 )进行仿真。仿真所得输出电压波形如图5:120.沪1|-，- .Wi 1 i；Pi A $ Tf/ -i j.1/10020 x 10仿真结果的局部放大图如图 6：衍申I陽Ix 10由放大图可得输出电压的最大值 101V,最小值为 97V,因此可得 输出电压平均值为 99V。所得结果与预期所得结果 100V 近似，在误 差允许范围内输出结果满足要求。输入电流与输出电流

14、仿真结果如图 7 和图 8 由图可见输入电流 最大值为 11.2A，最小值为10.8A， 则输入电流平均值为11A； 输出 电流最大值为5.05A， 最小值为4.85A,则输出电流平均值为 4.95A， 输入电流与输出电流在误差范围内均满足要求。10311.811.411.210.810.610.410.2JX 口1；! iHp! fl :i i1| Ji ! : r. i M 1 :;f.1 -/：!；|* 1怙A勺iJ i L1 :111 nr |i / h ij:iMH htV 1 Fi v r Ih i11.6衍申I陽Ix 10通过对 Boost 进行指定参数的仿真，得到的输出电压、输入电流 和输出电压的仿真结果有一定的误差， 但都在所设计的纹波电流和纹 波电压所允许范围内，因此可得仿真结果与所预期的结果