Buck-Boost变换器

《电力电子装置及系统》课程设计说明书目录摘要........................................................................I1Buck/Boost变换器分析.....................................................11.1基本电路构成........................................................11.2基本工作原理........................................................11.3工作波形............................................................22Buck/Boost变换器基本关系.................................................33主要参数计算与选择........................................................53.1输入电压.............................................................53.2负载电阻.............................................................53.3占空比α.............................................................53.4电感L...............................................................53.5输出滤波电容C计算...................................................64理论输入、输出电压表达式关系..............................................75仿真电路与仿真结果分析....................................................85.1buck/boost仿真电路图................................................85.2线性稳压电源仿真.....................................................85.3稳压电源波形图.......................................................95.4升压时输出电压与电流波形............................................105.5降压时输出电压与电流波形............................................11总结.......................................................................13参考文献...................................................................14《电力电子装置及系统》课程设计说明书I摘要随着世界的需求与电力电子的发展，高频开关电源凭借其低功耗等优点，得到了在计算机、通信和航天等领域的广泛应用。其中功率变换电路对组成开关电源起重要作用。功率变换电路是开关电源的核心部分，针对整流以后不同的直流电压功率变换电路有很多种拓扑结构，比如：Buck变换器拓扑、Boost变换器拓扑、Buck/Boost变换器拓扑、正激（反激）变换器拓扑......Buck/Boost变换器作为其中重要的一种，在开关电源的设计中当然也得到了很好的应用。本课程设计即是基于Simulink对Buck/Boost变换器进行设计与仿真，并且将仿真得到的输入输出电压关系式与理论推导进行比较，从而验证其可行性。关键字：电力电子开关电源SimulinkBuck/Boost变换器《电力电子装置及系统》课程设计说明书1VEULCUOVi1i2iLRVDLBUCK/BOOST变换器仿真1Buck/Boost变换器分析1.1基本电路构成Buck/boost变换器也称作升降压变压器，是一种输出电压即可高于又可低于输入电压的单管不隔离直流变换器。但其输出电压与输入电压的极性相反。所用元器件含有电感、电容、二极管、开关管等，与Buck或Boost变换器所用基本一致。不同的是电感的位置不一样。Buck/Boost变换器可以看成是Buck变换器和Boost变换器合并了开关管串联而成。其电路图如图1-1所示。由于电感的不同，也分为连续工作模式和不连续工作模式，本设计仅就电感量足够大的连续工作模式进行分析和设计。图1-1Buck/Boost变换器电路图1.2基本工作原理当开关管V触发而导通时，输入电流电压全部加在储能电感L的两端，感应电势极性为上正下负，二极管反向偏置截止，储能电感L将电能变为磁能储存起来。电流从电源正端流过开关管和电感回到电源负端。经过Ton时间后，开关管截止，储能电感L电势极性由上正下负变为上负下正，二极管正向偏置导通，储能电感L储存的磁能经二极管向负载RL释放，同时向滤波电容C充电。又经过Toff后，开关管导通，二极管截止，电感L充电，已充电的C向RL放电，从而保证了向负载的供电。此后，重复上述过程。《电力电子装置及系统》课程设计说明书2UGEttiLILiLmaxiLmintonTiViLmaxiLmintiVDiLmaxiLminEUOULtt1.3工作波形升降压斩波电路各输入输出量波形如图1-2所示。图1-2Buck/Boost变换器工作波形《电力电子装置及系统》课程设计说明书32Buck/Boost变换器基本关系电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有V导通和V关断两种工作模态。各时间段工作状态及变量关系如下：t=0~ton时，V导通，电源电压E加在电感L上，电感电流线性增长，二极管VD截止，负载电流有电容C提供：EdtdiL(2-1)RUIoo(2-2)ooIdtdUC(2-3)t=ton时，电感电流增大到最大值iLmax，V关断。在V导通期间电感电流增加量ΔiL为TLEiL(2-4)t=toff时，V关断，VD续流，电感L储存的能量转换为负载功率并给电容C充电，iL在输出电压Uo的作用下下降：oLUdtdiL（2-5）RUdtdUCIdtdUCiooooL（2-6）t=T时，iL减小到最小值iLmin，在ton~T期间iL的减小量为ΔiL为TLUtLUiooffoL)1(（2-7）此后，V又导通，转入下一个工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个过程：第一个是V开通L储存能量的过程，第二个是电感能量向负载和电容C转移的过程。稳态工作时，V导通期间iL增长量应等于V关断期间iL的减少量，或一个工作周期内作用在电感L上电压的伏秒面积为零，有1EUo（2-8）由式（2-8）知，若α=0.5，则Uo=E；若α0.5，则UoE；若α0.5，则UoE。若不计变压器损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流的平均值Io之比为《电力电子装置及系统》课程设计说明书4-1oiII（2-9）开关管V截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压与输出电压之和，这也是二极管VD截止时所承受的电压ooce-1UEUEUUVD（2-10）由图1-2可见，电感电流平均值IL等于V和VD导通期间流过的电流平均值IV和IVD之和，即VDVLLLIII2iiminmax（2-11）fiiiminmaxLELLL（2-12）电感电流最大值iLmax和最小值iLmin分别为f2i21imaxLEIILLLL（2-13）f2i21iminLEIILLLL(2-14)负载电流Io等于流过二极管VD电流的平均值IVD，即在t=ton～T期间，电感电流的平均值为）（1ooLIRUI(2-15)LIIi(2-16)开关管V和二极管VD电流的最大值iVmax、iVDmax等于电感电流的最大值iLmax）（1f21i21iiioomaxmaxmaxLUIILLLVDV(2-17)因为电容很大，因此输出电压在一个开关周期内变化较小，则输出电压脉动量可用V导通期间电容C放电量QC=IoαT计算，因QC=C·ΔUo，故fooCIU（2-18）《电力电子装置及系统》课程设计说明书53主要参数计算与选择3.1输入电压选择直流上输入电压为40V。3.2负载电阻负载电阻选择3欧3.3占空比α占空比在升压时选取为0.6，在降压时选取为0.4。3.4电感LofftontLILILImaxLIminLI图3-1电感电流在ont期间,IGBT导通,1VD截止,1L储能；在offt期间,IGBT截止,电感向负载及电容释放能量。流经电感的电流波形如图3-1所示电感电流中的纹波电流LI如式所示:minmaxLLLIII（3-1）在电流连续的情况下,当minLI的值等于零时,电感电流的纹波LI值最大。设电感中允许的最大电流为maxLI,则电感值可用下式求取：oiLoiLoniVVfIVVItVLmaxmax（3-2）按照输出纹波电流为输出电流的10%计算，则AIL2%1020max并且限定开关频率kHZf2，则《电力电子装置及系统》课程设计说明书6mHVVfIVVLoiLoi54040102240403max(3-3)3.5输出滤波电容C计算在实际设计变换器时,输出纹波电压是主要考虑的指标之一.为得到期望的输出纹波电压要求,在其他参数确定的情况下,关键要选择合适的电感和电容.电感电流连续时,Buck-Boost变换器的输出电压纹波与电感无关。设输出电压的允许纹波值为oV,则电容值可用式求取:oiooooonoVVfVVIVtIC(3-4)由要求的指标，按照输出纹波电压为输出电压的10%计算，则VVo4%1040，并且限定开关频率kHZf2，则FVVfVVICoiooo00125.04040102440203(3-5)《电力电子装置及系统》课程设计说明书74理论输入、输出电压表达式关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压Ul对时间的积分为零，即TuLdt00(4-1)当V处于通态状态期间，uL=E；而当V处于断态状态期间，uL=-u0。于是toffUEton0(4-2)所以输出电压为EEtonTtonEtofftonUα-1α0(4-3)改变占空比α，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0α1/2时为降压，当1/2α1时为升压。《电力电子装置及系统》课程设计说明书85仿真电路与仿真结果分析5.1buck/boost仿真电路图图5-1仿真电路图利用Simulink搭建仿真电路图，调整并且输入必要的参数后进行仿真，仿真后得到输出电压与输出电流波形图。5.2线性稳压电源仿真线性稳压电源通过改变晶体管的导通程度来改变和控制其输出的电压和电流，在线性稳压电源中晶体管相当于一个可变电阻，串接在供电回路中。线性稳压电源的功率器件调整管T工作在线性区，靠调整管极间的电压降来稳定输出。线性稳压电源工作原理如图5-1《电力电子装置及系统》课程设计说明书9图5-1线性稳压电源工作原理图仿真电路图如图5-2图5-3线性稳压电源仿真电路图参数设置:其中交流电压源AC的值为100V；变压器变比2:1；电容Co的值为5e-2；电容Co1的值为5e-2；负载Ro的值为1000