Boost和Buck-Boost变换器的设计与计算机仿真

电力电子系统的计算机仿真——总结报告题题Boost和Buck-Boost变换器的设计与计算机仿PAGEPAGE16一、综合训练设计内容及技术要求MATLAB部分（1）熟悉Matlab使用环境。（2）初步掌握Matlab的基本应用，包括数据结构，数值运算，程序设计及绘图等。（3）熟悉Simulink系统仿真环境，包括Simulink工作环境，基本操作，仿真模型，仿真模型的子系统，重要模块库等。Simpowersystems模型库及其应用。Simpowersystems模型库进行电力电子电路的仿真分析。设计部分（1）设计一个升压变压器，输入电压为3-6V，输出电压15V，负载电阻为10欧姆，要求电压连续。根据上述要求完成主电路设计。（2）Buck-Boost20V的直流电源，输出范围为10~40V,要求电感电流连续。根据上述要求完成主电路设计，开关器件选用关频率20KHz，负载为10欧姆。（3）完成上述升压变化器的计算机仿真，观察输出电压电流波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时输入输出的变化情况、和理论分析的结果进行比较。4.PSIM仿真软件完成上述仿真。二、综合训练总结报告必须提交的成果综合训练总结报告（不少于20页，约一万字左右）需包括：1）2）3）4）5）6）仿真结果的分析。7）8）9）体会。A4页面打印，小四宋体，单倍行距，采用word前言电力电子学是综合应用电工理论、电子技术及控制理论等，利用电力电子（功率半导体）器件控制或变换电能，以达到合理而高效率地使用能源。它是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。电力电子技术是近年来最活跃的研究领域之一。作为联系弱电与强电的加广阔。开关电源由功率级和控制电路组成，功率级完成从输入电压到输出电压的基本能量转换，它包括开关和输出滤波器。这篇报告只介绍降压–升压（Buck-Boost）功率级，不包含控制电路。详细介绍了工作在连续模式和非连续模式下Buck-Boost功率级的稳态和小信号分析，同时也介绍了标准Buck-Boost功率级的不同变型，并讨论了功率级对组成部件的要求。开关电源最常见的三种结构布局是降压（Buck）、升压（Boost）和（Buck-Boost），这三种布局都不是相互隔离的，也就是说，函数的频率响应。在介绍了脉冲宽度调制（PWM）开关模型后，给出了占空比–输出电压Buck-Boost功率级Q1n通道的金属氧化物半导体场效应管（MOSFE）TCR1LCESR（等效串联电阻）,RC,和电感DCRLR目录1主电路工作原理说明5BUCK-BOOST主电路的构成 5BUCK-BOOST稳态分析 5BUCK-BOOST稳态连续导通模式分析 6BUCK-BOOST稳态非连续导通模式分析 9关键电感 12主电路设计 142.1BOOST主电路设计 142.2BUCK-BOOST主电路设计 15仿真模型的建立、各模块参数的设置 17BOOST变换器仿真模型建立与模块参数设置 17BUCK-BOOST变换器仿真模型建立与模块参数设置 20仿真结果分析 24BOOST变换器仿真波形 24BUCK-BOOST变换器仿真波形 25总结 27参考文献29心得体会30元器件明细表 311 主电路工作原理说明Buck-Boost主电路的构成Buck-BoostBuckBoost变换器所用元器件相1Buck和BoostLPWMBuck-Boost图1Buck-Boost主电路原理图Buck-BoostQ1Q1CR1L的连结节点处，开关动作产生了一个脉冲序列。电感 LCCR1L/CBuck-Boost稳态分析功率级可以在连续电感器电流和非连续电感器电流模式下工作，连续电感器电流模式在稳态工作时，整个开关周期内都有电流连续通过电感器；非连续电感器电流模式是开关周期内的一部分时间电感电流为0，它在整个周期内从0开始，达到一个峰值后，再回到0.n（MOSFE）T，驱动电路打开场效应管（FET）Q1的栅极和漏极间加上VGS（ON，）n通道场效应管的优势在于它的低导致电阻RDS（on）pRDS（on）Q1CR1apc，BUCK–BOOSTBuck-Boost稳态连续导通模式分析Buck-Boost的稳态连续导通模式分析，这部分主要目的就Buck-Boost稳态连续导通模式下电压转换关系的推导。这是很量名。在连续导通模式，Buck-Boost转换器保证每个开关周期有两个功率Q1CR1是关时，就是开态（ON）；Q1CR1是开时，就是关态（OFF）i1iLV i1iLLU ULOa）图2Buck-Boost状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）。开态的时间为D×TS=TON，其中D为由控制回路设定的占空比，代表了开关在开态的时间占整个开关周期（TS）的比值。关态的时间叫TOFF，因为对于连续导通模式下在整个开关周期中只有两个状态，所以TOFF(1–D)×TS，数值(1–D)有时被成为D'，这些时间与波形一起显示在图3中。3连续模式下Buck-Boost2ON态，Q1RDS(ON，VDS=IL×RDS(on)。同时电感器的直流电阻上的电压降也IL×RLVI(VDSIL×RL)LCR1的。电感电流IL，从输入源VI流出，经过Q1，到地。在开(ON)态，加VI–VDS–ILRL2中IL3TON时ON:ΔIL(+)C提供。2Q1LQ1CR1。随着电感电流的减小，电CR1L(VO–Vd–ILRL)VdCR1ILCR1到地。注意CR1的方向和电感中电流的流向意味着输出电容和负载电阻中电导致VO为负电压。在关(OFF)时，电感两端的电压为定数，且为(VO–Vd–IL×RL)，为了保证同样极性的转换，这个加载电压必须是负(或者在开态( ON)时为极性相反的加载电压)，因为输出电压为负的。因此，电感电流在OFF态时TOFF间内电感电流的减小见图3.在关态(OFF)电感电流的减小可以由下式求得:ΔIL(–也代表了电感的纹波电流。ONΔIL(+)OFF)下的ΔIL(–必须是相等的。否则，在一个周期到下一个周期，电感电流就会有一个净的增加量或者减小量，这就不是一个稳态了。所以，这两个方程必须相等，从而求出VOBuck-BoostVO:TON+TOFFTS，并利有D=TON/TS和(1–D)=TOFF/TS，VO的稳态方程可变为:注意在上式的化简中，用到了TON+TOFFTSΔIL-VOD等未知值的最好ΔIL(+)和ΔIL(–的方程中，输出电压默认为常数定ONOFFESR)造成的电压也可以忽略。这些假设是合理的，因为设计的交流纹波电压是远小于输出电压的直流部分的。VODD00，在D1时逐渐增加而没有限制。一VDS，VdRLVDS,Vd和RL0一个简单定性的想象电路工作的方法就是把电感看作是一个能量储存单Q1Q1Q1的开关时间Q1Q1不像降压（Buck）功率级，电感电流的平均值并不等于输出电流。想知23，注意电感只有在能（OFF）0.Buck-Boost:或者ΔIL2A2A（假定）。现在就停止对Buck-Boost能量级在连续导通模式下电感电流的分析了，在接下来的部分描述在非连续模式下的稳态工作，主要任务是Buck-Boost能量级在非连续导通模式下电压转换关系的推导。Buck-Boost稳态非连续导通模式分析现在我们研究当导通模如果输出负载电流减小到临界电流水平以下，在开关周期的一部分时间03Buck-Boost如果电感电流试图减低到0以下时，它会停在0（因为CR1只能有单向电流通过），并保持为0直到下一个开关周期的开始。这个工作模式就叫做非连续导通模式。一个工作在非连续导通模式下的功率级在一个开关周期内有三个状态，相比下续导通模式只有两个状态。功率级在连续模式和非连续模式的分界处电感电流的条件见图 4，这也是00时并马上开始下个开关周期的地4IOIO（Crit）IOIL有相反的极性。4连续模式和非连续模式的分界线5不一样，这会在Buck-Boost功率级模型部分给出；而且，输入到输出的关图5非连续电流模式Buck-BoostQ1开，CR1关时，是开态（ON）；Q1CR1开时，是关态（OFF）；Q1CR1都关时，是空闲态（IDLE）2中显示的电路也适用，只是TOFF（1D）×TS。开关周期的剩余时间（IDLE）（MOSFE）T开态（ON）TON=DTS，DTS的比值。关态（OFF）的时间TOFF=D2TS（IDLE）为TS–TON–TOFF=D3×TS6中给出这三种时间和响应的波形。跟前面一样，没有进行详细的解释，电感电流增加和减少的方程直接在下面给出。在开态（ON）内电感电流的增加为:ΔIL（+）Ipk0开始的。在关态（OFF）内电感电流的减小为:跟在连续导通模式下一样，开态（ON）ΔIL（+），和关态（OFF）ΔIL（–）VO（VOR）CR1（D2TS）整个开关周期上的电感电流的平均值。把IPK（ΔIL（+））的关系代入上式，可以得到现在我们有两个方程，一个就是刚得到的输出电流（VOR），VIDD2D2，然后令VO。式，可以得到非连续导通模式下Buck-Boost功率级电压转换关系为从上面的关系式可以看出两种导通模式的主要不同，对于非连续导通模式，电压转换关系是输入电压、占空比、功率级电感、开关频率和输出负载的方程；而对于连续导通模式，电压转换关系只是取决于输入电压和占空比。在典型的应用中，Buck-Boost功率级或者工作在连续导通模式，或者在一种导通模式。图6非连续导通模式下Buck-Boost转换器波形图关键电感Buck-Boost转换器的分析主要是在连续导通模式下和非连续导通Buck-Boost5%10%首先，定义保持转换器工作在连续导通模式下的最小输出电流IO(Crit)4中给出了。因为我们要得感电流平均值的最小值由下式给出：第二，计算满足上述关系的L。为了解出上面的方程，关系式中的ΔIL(+)和ΔIL(–)都可以看作是ΔIL。同时还要注意，ΔIL的两个关系式都跟输出电流水平无关，这里，采用ΔIL(+)。现在代换并解出Lmin：通过忽略小寄生电阻和二极管电压降，上面的方程可以化简为：刚计算的电感值，就可以保证转换器工作在连续导通模式下，而且输出负载电流高于临界电流水平IO(crit) 。PAGEPAGE202 主电路设Buck-Boost

计

Buck或Boost变换器所用元器件相1Buck和BoostLPWM控制方式。Boost主电路设计仿真参数G计算给定参 O名称i名称io取值3-6V输入电压：输出电压：输出功率：O工作频率：二极管压降：I15V符号ViVo122.5W100KHzb)0.8VPotfVd

图7Boost变a器主电路图当输入为3V时:当输入为6V时:

1531515615

0.80.6因此，的取值为0.6~0.8。电感量。电感量L：150.00000121.5

0.610.62

0.000048HL取72μH。3）C取0.0003F。

0.80.0001 1.50.00012Buck-Boost主电路设计

i2VDILi1uL uo图8Bucka-）oost变换器主电路图1仿真参数计算1i

tontoffIL20V10~40VP为160W，开关频率为20kHz。o占空比：由式（2-1）可得占i2 UoIL EU

=33.3~66.6则输出电流（二极o 管电流）的平均值：因为电容足够大，忽t略电容，则电流I I =4Ao V）i输入电流（电感电流）I=10Ai入电流平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电感电流的增量为IΔLi=0.502A

LET

=0.13mHiL电容：根据输出纹波电压为输出电压平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电容电压的增量为ΔUo=2.5V，可得电容值IoCo=1mFUof开关管的选择：流过开关管的电流最大值iVmax Io Uo（1）=14A12Lf开关管承受的最大反向电压为40V，平均值为25V，考虑一定的裕量，承受的最大反向电压为53.7V。二极管的选择：二极管所承受的最大电流和最大反向电压与开关管的相同，分别为14A和53.7V。3 仿真模型的建立、各模块参数的设置Boost变换器仿真模型建立与模块参数设置图9Boost变换器仿真模型仿真参数：算法(solver)ode45s，相对误差(relativetolerance)1e-3，开始时间0结束时间0.1。2121电源设置：3V电感参数设置：0.0000072H电容参数设置：0.0023F:15V22.5W100KHz22PAGEPAGE30Buck-Boost变换器仿真模型建立与模块参数设置图10Buck-Boost变换器仿真模型仿真参数：算法(solver)ode45s，相对误差(relativetolerance)1e-3，开始时间0结束时间0.1电源设置：20V电感参数设置：电容参数设置：0.001F输出电压为40V时，触发脉冲：20KHz占空比68.6%负载电阻设置：40V输出电压为10V时，触发脉冲：20KHz占空比34%4 仿真结果分析Boost变换器仿真波形IL图11Ic、IL、Id、Ud仿真波形20 IL15从图中知道，电路电感工作在电流断续模式，当电感电流降为零时，由于IGB0

T管间寄生电容作用，寄生电容放电与升压电感形成震荡，而产生图11所示5凹槽。输出电压保持在15V。5020

Id图12分别为负载电流，Id负载电压的仿真波形可以看出，输出电压经过很短的震荡时间后逐渐稳15V，符合题目要求。定到51.5A附近，为了看的更加清晰，0 0.01

0.03 0.04 0.05 0.06 0.070.080.09将其 进行局 部 放大， 可见其 值 基本 稳 定

1.5A。Buck-Boost变换器仿真波形Ic15图13输出为40VIc、IL、Id、UdIc1550Buck-Boost变换器电感电流连续，电路工作在0连续导通模式下，电容对输出波形起着很大作用，增大输出电容可使纹10 0 IL波减小，且输出电压值与理论值的差距减小。结论：连续模式和非连续模式下50仿真得到的电感电流、输出电压变化规律均与理论推导一致。0-50Io图14负载电流Io仿真014值稳定在-5000.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.016

0.018见其值基本稳定在4A。Ic图15输出为10V时，Ic、IL、Id、Ud仿真波形分析结论和输出为40V时一致。26PAGEPAGE36总结Buck-Boost功率级的输（和输出电压纹波）IOfSΔVO的函数，在假定所有的（ON），输出电容器提供了所有的输出负载电流。对于非连续电感器电流模式下的工作，为了确定需要的电容值，在假定所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况，但是在很多实际的设计中，为了得到需要的等效串联电阻，通常都要选择比我们计算出来的电容值大的电容器。电感器的功能是储存能量，电流流过时能量会以磁场的方式储存下来，所以定性的说，电感器的作用就是试图保持固定不变的电流值，或者等效的说是限制流过电感器电流的变化率。选择Buck-Boost功率级的输出电感器电感值主要是限制流过它的