Buck-Boost电路设计

148WBuck/Boost电路设计与仿真验证一、主电路拓扑与控制方式Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也有开关管、二极管、电感和电容构成，如图1-1所示。与Buck和Boost电路不同的是，电感Lf在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压相反。开关管也采用PWM控制方式。Buck/Boost变换器也有电感电流连续喝断续两种工作方式，本文只讨论电感电流在连续状态下的工作模式。图1-2是电感电流连续时的主要波形。图1-3是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。电感电流连续工作时，有两种工作模态，图1-3(a)的开关管Q导通时的工作模态，图1-3(b)是开关管Q关断、D续流时的工作模态。++-VinQDLfCfRLD-+Vo图1-1主电路VbetonTtttttiLFILFiLfmaxiLfmaxiLfmaxiLfminiLfminiLfminiQiDVLfVinVo图1-2电感电流连续工作波形++-VinQDLfCfRLD-+VoiLf++-VinQDLfCfRLD-+VoiLf(a)Q导通(b)Q关断，D续流图1-3Buck/Boost不同开关模态下等效电路二、电感电流连续工作原理和基本关系2电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管Q导通和开关管Q关断两种工作模态。在开关模态1[0~ton]：t=0时，Q导通，电源电压Vin加载电感Lf上，电感电流线性增长，二极管D戒指，负载电流由电容Cf提供：fLfindiLVdt(2-1)ooLDVIR(2-2)ofodVCIdt(2-3)t=ton时，电感电流增加到最大值maxLi，Q关断。在Q导通期间电感电流增加量fLifinLyfViDTL(2-4)在开关模态2[ton~T]:t=ton时，Q关断，D续流，电感Lf贮能转为负载功率并给电容Cf充电，fLi在输出电压Vo作用下下降：fLfodiLVdt(2-5)foooLfofLDdVdVViCICdtdtR(2-6)t=T时，fLi见到最小值minLi，在ton~T期间fLi减小量fLi为：(1)fooLoffyffVVitDTLL(2-7)此后，Q又导通，转入下一工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个过程：第一个过程是Q开通电感Lf贮能的过程，第二个是电感能量向负载和电容Cf转移的过程。稳态工作时，Q导通期间fLi的增长量应等于Q关断期间fLi的减小量，或作用在电感Lf上电压的伏秒面积为零，有：1yoinyDVVD(2-8)由(2-8)式，若Dy=0.5，则Vo=Vin；若Dy0.5，则VoVin；反之，Dy0.5，VoVin。设变换器没有损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流平均值Io之比为31yioyDIID(2-9)开关管Q截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D截止时所承受的电压1inoceDinoyyVVUUVVDD(2-10)由图1-2可见，电感电流平均值fLi等于Q和D导通期间流过的电流平均值IQ和ID之和，即：maxmin2fLLLQDiiiII(2-11)maxminfinLLLyfViiiDLf(2-12)负载电流Io等于流过二极管D电流的平均值ID，即在t=ton~T期间电感电流的平均值(1)fooLyLDVIIDR(2-13)finLyIID(2-14)电感电流最大值maxfLi和最小值minfLi为：max122ffffinLLLLyfViIiIDLf(2-15)min122ffffinLLLLyfViIiIDLf(2-16)开关管Q和二极管D电流的最大值maxQi、maxDi等于电感电流最大值maxfLimaxmaxmax1(1)212fffooQDLLLyyfIViiiIiDDLf(2-17)Q导通期间，电容Cf电压的变化量即输出电压脉动oV由Q导通期间fC放电量fCoyQIDT计算，因fCfoQCV，故oyofIDVCf(2-18)三、实验参数计算4Buck/Boost变换器设计指标为：(1)输入电压inV：直流18~72V;(2)输出电压oV：直流24V;(3)输出功率oP：48W。设定IGBT的开关频率f为100kHz，电感电流纹波fLi为电感电流平均值fLI的5%，输出电压纹波oV为输出电压oV的2%。输出端电阻为：12482422OOLDPVR输出端电流为：21224LDOORVI由式(2-8)得占空比为：ininOOyVVVVD2424（0.25~0.57）由式(2-9)得输入电流为：yyyyoinDDDDII121（0.67A~2.67A）由式(2-10)得开关管Q截止时承受电压，二极管D截止时承受电压为：yoceDVU（42V~96V）由式(2-14)得电感电流平均值为：yinlfDII（-1.2A~6A）电感电流和输出电压纹波分别为：lflfiI%5(-0.06A~0.3A)VVoo48.0%2V由式(2-15)和(2-16)得电感电流最大值和最小值分别为：lflflfiIi21max=4.783AlflflfiIi21min=2.6A由式(2-17)得通过开关管Q和二极管D的电流最大值为：AiiilfDQ783.4maxmaxmax由式(2-12)得电感大小为：filfyDVLin(0.44mH~1.35mH)5由式(2-18)得电容大小为：fVDoyoIC(10.146F~23.8F)四、实验器件的选择开关管Q：开关频率100kHz，截止时承受电压96V，流过最大电流4.783A。二极管D：截止时承受电压96V，流过最大电流4.783A。电感fL：大小0.44mH~1.35mH，流过电流最大值4.783A。电容fC：大小10.146F~23.8F，承受电压最大值大于24V。电阻RLD：12。五、simulink仿真电路vs100VuRpowerguiContinuousis2i+-is1iR1i+-iRiL1i+-iLiD2iDi+-Vv+-R4.6PulseT=10e-632.66%L0.42mHIGBTgCEDiodeC36uF六、波形图678910七、总结本次课程设计达到了预期的效果，与预期的结果一致。通过这次为期两周电力电子技术的课程设计,我学会了很多的东西，能够更好的运用所学的知识解决一些问题，体会到了将知识用于实际的快乐。本次设计中查阅了相关书籍、资料，对直流斩波电路有了更深的理解，直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。进一步复习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。总之，通过这次Buck-Boost变换器的课程设计，提高了自己的课程设计报告撰写水平，增强了运用计算机及互联网丰富的知识来设计和分析问题、解决问题，完成工作任务的能力，为以后的学习工作中解决更多的、更困难的问题打了很好的基础。同时，还提高了对电力电子技术知识的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂很难体会到的东西，让我知道了的不只是这个简单的课题，还我知道的是面对一个问题时应该从哪下手，怎样才能更好的解决问题，两周的时间教会我的是一种思维方式！两周时间虽短，但这两周的内容让我受益匪浅。