Buck-Boost电路设计

500WBuck/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1yioyDIID(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Buck/Boost变换器设计指标为：(1)输入电压inV：直流100V;(2)输出电压oV：直流48V;(3)输出功率oP：500W。（48.5152+47.4988）/2=48.0070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：24.608oLDoVRP输出端电流为：10.42ooLDVIAR（10.5468+10.3258）/2=10.4363由式(2-8)得占空比为：0.324oyoinVDVV0.3266由式(2-9)得输入电流为：5.01yinoyDIIAD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：148oceyVUVD由式(2-14)得电感电流平均值为：15.42finLyIIAD（16.501+15.7229）/2=16.112电感电流和输出电压纹波分别为：5%0.77ffLLiIA0.77812%0.96ooVVV48.5152-47.4988=1.0164由式(2-15)和(2-16)得电感电流最大值和最小值分别为：max115.802fffLLLiIiA16.5019min115.032fffLLLiIiA15.7229由式(2-17)得通过开关管Q和二极管D的电流最大值为：maxmaxmax115.802fffQDLLLiiiIiA16.5019由式(2-12)得电感大小为：0.42finyfLVDLmHif由式(2-18)得电容大小为：35.19oyfoIDCFVf36四、实验器件的选择开关管Q：开关频率100kHz，截止时承受电压148V，流过最大电流16.50A。二极管D：截止时承受电压148V，流过最大电流16.50A。电感fL：大小0.42mH，流过电流最大值16.50A。电容fC：大小36F，承受电压最大值48.52V。电阻RLD：大小4.6。五、simulink仿真电路vs100VuRpowerguiContinuousis2i+-is1iR1i+-iRiL1i+-iLiD2iDi+-Vv+-R4.6PulseT=10e-632.66%L0.42mHIGBTgCEDiodeC36uF