Buck-Boost變換器

1、電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目 錄摘要I1 Buck/Boost變換器分析11.1 基本電路構(gòu)成11.2 基本工作原理11.3 工作波形22 Buck/Boost變換器基本關(guān)系33 主要參數(shù)計(jì)算與選擇53.1輸入電壓53.2負(fù)載電阻53.3占空比53.4電感L53.5輸出濾波電容C計(jì)算64 理論輸入、輸出電壓表達(dá)式關(guān)系75 仿真電路與仿真結(jié)果分析85.1 buck/boost仿真電路圖85.2線性穩(wěn)壓電源仿真85.3穩(wěn)壓電源波形圖95.4升壓時(shí)輸出電壓與電流波形105.5降壓時(shí)輸出電壓與電流波形11總結(jié)13參考文獻(xiàn)14摘要隨著世界的需求與電力電子的發(fā)展，高頻開關(guān)電源憑借其低功耗等優(yōu)點(diǎn)，得到

2、了在計(jì)算機(jī)、通信和航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。其中功率變換電路對(duì)組成開關(guān)電源起重要作用。功率變換電路是開關(guān)電源的核心部分，針對(duì)整流以后不同的直流電壓功率變換電路有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如：Buck變換器拓?fù)?、Boost變換器拓?fù)洹uck/Boost變換器拓?fù)?、正激（反激）變換器拓?fù)?Buck/Boost變換器作為其中重要的一種，在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中當(dāng)然也得到了很好的應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)即是基于Simulink對(duì)Buck/Boost變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，并且將仿真得到的輸入輸出電壓關(guān)系式與理論推導(dǎo)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證其可行性。關(guān)鍵字：電力電子 開關(guān)電源 Simulink Buck/Boost變換器I電力電子裝置

3、及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書BUCK/BOOST變換器仿真 1 Buck/Boost變換器分析1.1 基本電路構(gòu)成Buck/boost變換器也稱作升降壓變壓器，是一種輸出電壓即可高于又可低于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。但其輸出電壓與輸入電壓的極性相反。所用元器件含有電感、電容、二極管、開關(guān)管等，與Buck或Boost變換器所用基本一致。不同的是電感的位置不一樣。Buck/Boost變換器可以看成是Buck變換器和Boost變換器合并了開關(guān)管串聯(lián)而成。其電路圖如圖1-1所示。由于電感的不同，也分為連續(xù)工作模式和不連續(xù)工作模式，本設(shè)計(jì)僅就電感量足夠大的連續(xù)工作模式進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。圖1-1 Buck/B

4、oost 變換器電路圖1.2 基本工作原理當(dāng)開關(guān)管V觸發(fā)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電流電壓全部加在儲(chǔ)能電感L的兩端，感應(yīng)電勢(shì)極性為上正下負(fù)，二極管反向偏置截止，儲(chǔ)能電感L將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái)。電流從電源正端流過(guò)開關(guān)管和電感回到電源負(fù)端。經(jīng)過(guò)Ton時(shí)間后，開關(guān)管截止，儲(chǔ)能電感L電勢(shì)極性由上正下負(fù)變?yōu)樯县?fù)下正，二極管正向偏置導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L儲(chǔ)存的磁能經(jīng)二極管向負(fù)載RL釋放，同時(shí)向?yàn)V波電容C充電。又經(jīng)過(guò)Toff后，開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止，電感L充電，已充電的C向RL放電，從而保證了向負(fù)載的供電。此后，重復(fù)上述過(guò)程。1.3 工作波形升降壓斬波電路各輸入輸出量波形如圖1-2所示。圖1-2 Buck/Boost變換

5、器工作波形2 Buck/Boost變換器基本關(guān)系電感電流連續(xù)工作時(shí)，Buck/Boost變換器有V導(dǎo)通和V關(guān)斷兩種工作模態(tài)。各時(shí)間段工作狀態(tài)及變量關(guān)系如下：t=0ton時(shí)，V導(dǎo)通，電源電壓E加在電感L上，電感電流線性增長(zhǎng)，二極管VD截止，負(fù)載電流有電容C提供： (2-1) (2-2) (2-3)t=ton時(shí)，電感電流增大到最大值iLmax，V關(guān)斷。在V導(dǎo)通期間電感電流增加量iL為 (2-4)t=toff時(shí)，V關(guān)斷，VD續(xù)流，電感L儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率并給電容C充電，iL在輸出電壓Uo的作用下下降： （2-5） （2-6） t=T時(shí)，iL減小到最小值iLmin，在tonT期間iL的減小量為i

6、L為 （2-7）此后，V又導(dǎo)通，轉(zhuǎn)入下一個(gè)工作周期。由此可見(jiàn)，Buck/Boost變換器的能量轉(zhuǎn)換有兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)是V開通L儲(chǔ)存能量的過(guò)程，第二個(gè)是電感能量向負(fù)載和電容C轉(zhuǎn)移的過(guò)程。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，V導(dǎo)通期間iL增長(zhǎng)量應(yīng)等于V關(guān)斷期間iL的減少量，或一個(gè)工作周期內(nèi)作用在電感L上電壓的伏秒面積為零，有 （2-8） 由式（2-8）知，若=0.5，則Uo=E；若<0.5，則Uo<E；若>0.5，則Uo>E。若不計(jì)變壓器損耗，則輸入電流平均值Ii和輸出電流的平均值Io之比為 （2-9） 開關(guān)管V截止時(shí)，加于集電極和發(fā)射極間電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，這也是二極管VD截止時(shí)所承受

7、的電壓 （2-10） 由圖1-2可見(jiàn)，電感電流平均值IL等于V和VD導(dǎo)通期間流過(guò)的電流平均值IV和IVD之和，即 （2-11） （2-12）電感電流最大值iLmax和最小值iLmin分別為 （2-13） (2-14) 負(fù)載電流Io等于流過(guò)二極管VD電流的平均值IVD，即在t=tonT期間，電感電流的平均值為 (2-15) (2-16) 開關(guān)管V和二極管VD電流的最大值iVmax、iVDmax等于電感電流的最大值iLmax (2-17) 因?yàn)殡娙莺艽?，因此輸出電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變化較小，則輸出電壓脈動(dòng)量可用V導(dǎo)通期間電容C放電量QC=IoT計(jì)算，因QC=C·Uo，故 （2-18） 3

8、 主要參數(shù)計(jì)算與選擇3.1輸入電壓選擇直流上輸入電壓為40V。3.2負(fù)載電阻負(fù)載電阻選擇3歐3.3占空比占空比在升壓時(shí)選取為0.6，在降壓時(shí)選取為0.4。3.4電感L 圖3-1 電感電流在期間, IGBT導(dǎo)通, 截止, 儲(chǔ)能；在期間, IGBT 截止, 電感向負(fù)載及電容釋放能量。流經(jīng)電感的電流波形如圖3-1所示電感電流中的紋波電流如式所示: （3-1）在電流連續(xù)的情況下,當(dāng)?shù)闹档扔诹銜r(shí), 電感電流的紋波值最大。設(shè)電感中允許的最大電流為, 則電感值可用下式求?。?（3-2）按照輸出紋波電流為輸出電流的10%計(jì)算，則并且限定開關(guān)頻率，則 (3-3)3.5輸出濾波電容C計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)變換器時(shí), 輸出

9、紋波電壓是主要考慮的指標(biāo)之一. 為得到期望的輸出紋波電壓要求, 在其他參數(shù)確定的情況下, 關(guān)鍵要選擇合適的電感和電容.電感電流連續(xù)時(shí), Buck- Boost 變換器的輸出電壓紋波與電感無(wú)關(guān)。設(shè)輸出電壓的允許紋波值為 , 則電容值可用式求取: (3-4)由要求的指標(biāo)，按照輸出紋波電壓為輸出電壓的10%計(jì)算，則，并且限定開關(guān)頻率，則 (3-5)4 理論輸入、輸出電壓表達(dá)式關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓Ul對(duì)時(shí)間的積分為零，即 (4-1)當(dāng)V處于通態(tài)狀態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)狀態(tài)期間，uL=-u0。于是 (4-2)所以輸出電壓為 (4-3) 改變占空比，輸出電壓既可以比電源電壓高，

10、也可以比電源電壓低。當(dāng) 0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓。5 仿真電路與仿真結(jié)果分析5.1 buck/boost仿真電路圖圖5-1 仿真電路圖利用Simulink搭建仿真電路圖，調(diào)整并且輸入必要的參數(shù)后進(jìn)行仿真，仿真后得到輸出電壓與輸出電流波形圖。5.2線性穩(wěn)壓電源仿真線性穩(wěn)壓電源通過(guò)改變晶體管的導(dǎo)通程度來(lái)改變和控制其輸出的電壓和電流，在線性穩(wěn)壓電源中晶體管相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，串接在供電回路中。線性穩(wěn)壓電源的功率器件調(diào)整管T工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管極間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。線性穩(wěn)壓電源工作原理如圖5-1圖5-1 線性穩(wěn)壓電源工作原理圖仿真電路圖如圖5-2圖5-3

11、 線性穩(wěn)壓電源仿真電路圖參數(shù)設(shè)置:其中交流電壓源AC的值為100V；變壓器變比2:1；電容Co的值為5e-2；電容Co1的值為5e-2；負(fù)載Ro的值為1000 ；方波發(fā)生器中Period設(shè)置為1/200000，Pulse Width(% of period)設(shè)置為占空比50%；Gain設(shè)置為100；T,Universal Bridge均為默認(rèn)。5.3穩(wěn)壓電源波形圖按照所設(shè)定參數(shù)進(jìn)行仿真得到穩(wěn)壓電源波形圖如圖5-2所示。圖5-2 穩(wěn)壓電源波形圖本課程設(shè)計(jì)中采用輸出電壓為50V,當(dāng)然由波形圖也可直觀看出其輸出模式。5.4升壓時(shí)輸出電壓與電流波形以下是輸出電壓與電流的波形圖以及對(duì)其的分析圖5-3 升

12、壓輸出電壓整體波形圖圖5-4 升壓輸出電壓局部波形圖圖5-5 升壓輸出電流整體波形圖圖5-6 升壓輸出電流局部波形圖由輸出的升壓電壓波形圖可以直觀的看到電壓最后趨于穩(wěn)定，在最后穩(wěn)定在72.55V左右，而此時(shí)的占空比控制為0.6，所以由理論公式推導(dǎo)得輸出電壓理論數(shù)值為75V。仿真得到的電壓值與理論值有2.45V的偏差，但因偏差較小，可以認(rèn)為符合理論關(guān)系式。5.5降壓時(shí)輸出電壓與電流波形圖5-7 降壓輸出電壓整體波形圖圖5-8 降壓輸出電壓局部波形圖圖5-9 降壓輸出電流整體波形圖圖5-10 降壓輸出電流局部波形圖由輸出的降壓電壓波形圖可以直觀的看到電壓在最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在最后穩(wěn)定在37.3V左

13、右，而由理論公式推導(dǎo)得輸出電壓理論值為33.3V,仿真值與理論值相差4V，但是偏差值還算較小，所以可以證明理論關(guān)系式成立。總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)電力電子技術(shù)知識(shí)的一個(gè)分析和應(yīng)用，通過(guò)對(duì)資料的查詢，使自己對(duì)直流斬波電路的幾種類型有了更加深入的了解，對(duì)其工作電路和波形也有了較好的掌握。本設(shè)計(jì)是在Matlab的環(huán)境中建立仿真，對(duì)Buck/Boost變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。由于時(shí)間比較緊張，所以使得自己更加積極地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。另外，之前對(duì)Matlab用的較少，所以并不是很熟悉其運(yùn)行環(huán)境。為了順利的完成設(shè)計(jì)，我請(qǐng)教班上對(duì)此軟件熟悉的同學(xué)，加上自己不斷地動(dòng)手操作，逐漸能夠用它完成一些簡(jiǎn)單的布線與仿真?，F(xiàn)在感覺(jué)Simulink還是挺好用的。此仿真驗(yàn)證了課本上Buck/Boost變換器的理論關(guān)系式，使得我對(duì)其升降壓變換有了較深入的了解。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還是有一些困難，但在同學(xué)的細(xì)心指導(dǎo)下還是順利地解決了這些問(wèn)題，這也加強(qiáng)了我對(duì)問(wèn)題的思考和解決能力，原本對(duì)肯本上的知識(shí)只是限于一知半解的程度，現(xiàn)在通過(guò)自己設(shè)計(jì)仿真，對(duì)結(jié)果的分析等一系列工作，是原先抽象的知識(shí)變得很直觀，加深了對(duì)