Boost變換器原理

1、.由IGBT組成的升壓變換器的建模及應(yīng)用仿真摘要：根據(jù)電力電子技術(shù)的原理，升壓式變換器的輸出電壓高于輸入電源電壓，控制開關(guān)與負載并聯(lián)連接，與負載并聯(lián)的濾波電容必須足夠大，以保證輸出電壓恒定，儲能電感也要很大，以保證向負載提供足夠的能量。在設(shè)計中，采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為開關(guān)管，它既具有輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動電路簡單，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高，流通大電流等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：升壓變換器 IGBT Matlab建模一、設(shè)計內(nèi)容1. 設(shè)計原理圖1 升壓變換器電路圖圖1是升壓變換器的電路圖，其中為輸入直流電源，S為開關(guān)管（在本設(shè)計中使用IGBT作為開關(guān)管），在外部脈沖信號的激勵下工作

2、于開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通，輸入電流流經(jīng)電感L和開關(guān)管S，開關(guān)管兩端的電壓降為零，電感兩端產(chǎn)生電壓降，電感電流開始線性增長，電感開始儲存能量，此時二級管VD處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S截止，由于電感電流的連續(xù)性，電感L的線圈產(chǎn)生的磁場將改變線圈兩端的極性，以保持電感電流不變，因此電感電壓在這一時段出現(xiàn)負電壓，此電壓是由線圈的磁能轉(zhuǎn)化而成的，它與電源串聯(lián)，以高于的電壓向電路的后級供電，使電路產(chǎn)生了升壓作用。此時，電感向后級釋放能量，電感電流不斷減小，電感電流通過二極管VD到達輸出端后，一部分為輸出提供能量，一部分為電容充電。 這是升壓變換器的一個工作周期，此后變換器重復(fù)上述過程工作至穩(wěn)態(tài)過程。2.

3、輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系若開關(guān)管導(dǎo)通時間，關(guān)斷時間,開關(guān)工作周期。定義占空比為： ,升壓比為： 。理論上電感儲能與釋放能量相等，所以當(dāng)電感電流連續(xù)時，輸出電壓：3. 參數(shù)設(shè)置（1）電源電壓設(shè)置為直流24V；（2）儲能電感設(shè)置為3.6E-4 H；（3）RC負載設(shè)置：R為24；C為5.4E-5 F；（4）脈沖信號發(fā)生器設(shè)置：Pulse type、Time(t)、Amplitude、Phase delay(secs)均采用默認設(shè)置，Period(secs)設(shè)置為25e-6，Pulse Width( of Period)設(shè)置為20。（5）二極管，IGBT，電壓、電流測量量均采用默認值。4. 仿真目的（

4、1）觀察占空比變化對輸出電壓的影響。更改脈沖發(fā)生器中的周期參數(shù)，在占空比為20，40，60，80時，觀察波形，估計輸出電壓的值。（2）觀察開關(guān)頻率變化對輸出電壓紋波的影響。占空比恢復(fù)為40，將脈沖發(fā)生器輸出驅(qū)動信號的頻率改為原來的一半（20KHz）和二倍（80KHz），觀測并估計兩種條件下電壓紋波的大小。（3）觀察濾波參數(shù)變化對輸出電壓紋波的影響。將脈沖發(fā)生器輸出驅(qū)動信號的頻率恢復(fù)為40KHz，將濾波電容值改為原來的一半和二倍，觀測并估計兩種條件下電壓紋波的大小。（4）觀察負載阻值變化對輸出電壓紋波的影響。將濾波電容值恢復(fù)為5.4E-5 F，將負載阻值改為原來的一半和二倍，觀測兩種條件下電壓紋

5、波的變化并估計其大小。結(jié)合仿真結(jié)果說明開關(guān)頻率、濾波參數(shù)以及負載大小的變化對輸出電壓紋波的影響，并用輸出電壓紋波的公式驗證仿真結(jié)果。二、Matlab的建模及仿真1. 仿真電路仿真模型圖如圖2所示：圖2 升壓變換器建模圖Simulink 仿真模型圖中電壓源為24V直流電壓；L為升壓電感；Diode為電力二極管，單向?qū)?，阻止電流反向流動；C為濾波電容；IGBT為斬波器件，R為負載。其中IL用來測量流經(jīng)L的電流；ID用來測量二極管電流；用來測量負載電壓；IGBT current 為流經(jīng)IGBT的電流；Scope為示波器；Pulse Generator為PWM脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)其占空比就可以控制輸出電

6、壓的大小。2. 仿真波形（1）占空比為20，40，60，80時，輸出電壓的波形分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。（2）占空比為40，開關(guān)頻率為20KHz和80KHz時，輸出電壓的波形如圖7、圖8所示，并觀察這兩種條件下輸出電壓紋波的變化。（3）將脈沖發(fā)生器的開關(guān)頻率設(shè)為40KHz，將濾波電容值改為2.7E-5 F和10.8E-5 F，輸出電壓的波形如圖9、圖10所示，并觀察這兩種條件下輸出電壓紋波的變化。（4）將濾波電容值恢復(fù)為5.4E-5 F，將負載阻值改為12和48，輸出電壓的波形如圖11、圖12所示，并觀測這兩種條件下電壓紋波的變化。圖3 f=40KHz，D=0.2時圖4 f=40KHz

7、，D=0.4時圖5 f=40KHz，D=0.6時圖6 f=40KHz，D=0.8時圖7 f=20KHz，D=0.4時圖8 f=80KHz，D=0.4時圖9 f=40KHz,D=0.4，C=2.7E-5 F時圖10 f=40KHz，D=0.4，C=10.8E-5 F時圖11 f=40KHz，D=0.4，C=5.4E-5 F，R=12時圖12 f=40KHz，D=0.4，C=5.4E-5 F，R=48時通過觀察、對比以上仿真波形圖可得以下結(jié)論：（1）由圖3、圖4、圖5、圖6可知，隨著占空比的不斷增大，輸出電壓的值也隨之不斷增大，該現(xiàn)象可由式子得到。（2）由圖7、圖8可知，其他參數(shù)不變，當(dāng)開關(guān)頻率減

8、小為原來的一半時，輸出電壓的波動變大；而當(dāng)開關(guān)頻率增大為原來的二倍時，輸出電壓的波動變小。（3）由圖9、圖10可知，其他參數(shù)不變，當(dāng)濾波電容值減小為原來的一半時，輸出電壓的波動變大；而當(dāng)濾波電容值增大為原來的2倍時，輸出電壓的波動變小。（4）由圖11、圖12可知，其他參數(shù)不變，當(dāng)負載阻值減小為原來的一半時，輸出電壓的波動變大；而當(dāng)負載阻值增大為原來的2倍時，輸出電壓的波動變小。 以上結(jié)論（2）、（3）、（4）的現(xiàn)象可由式子推出，由該式可看出，輸出電壓的紋波與濾波電容、開關(guān)頻率、負載阻值成反比，于是，當(dāng)C、F、R的值增大時，輸出電壓的紋波都變小。三、總結(jié) 通過本次設(shè)計，對于具有自關(guān)斷能力的GTO、MOSFET、IGBT全控型器件組成的變換器有了一定的了解和認識，熟悉了Matlab的建模過程。使用Matlab仿真擺脫了常規(guī)的分析方法，更加快捷和方便