Buck-Boos效率分析.doc

现代电力电子技术课程报告 BUCK-BOOST电路效率分析 姓 名：孙 超 （201030210715） 李庆振（201030210717） 卢兴军（201030210725） 指导老师： 吴卫民老师 物流工程学院 院（部）电力电子与电力传动 专业2011年1月BUCK-BOOST电路效率计算第1章 BUCK-BOOST电路简要分析1.1 概述电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。其中Buck-Boost变换器既可以提升电压又可以降低电压,其电路拓扑简洁,输入电压范围宽,负载短路时可靠性高等优点,但是其输出电压极性与输入电压极性相反。由于同一个电池不能被同一装置中的多个部分作为电源使用,而且其他拓扑电路需要使用变压器或线性调节器,致使装置的重量增加、效率降低。因此最可行的拓扑结构就是 Buck-Boost DC /DC变换器,因此对其研究对电子设备有很深远的意义。本文详细的分析了Buck-Boost电路中各器件的损耗问题，并且详细的计算其效率，对以后的深入研究具有长远意义。1.2 理想电路工作原理分析Buck-Boost 变换器是输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管不隔离DC-DC 拓扑。主电路的元件由开关管，二极管，电感，电容等构成。输出电压的极性与输入电压相反。这里只考虑Buck-Boost 变换器电感电流连续工作方式。为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作以下几点假设：（1）开关晶体管、二极管均为理想器件，也就是可以快速的导通与关断，而导通时压降为零，关断时漏电流为零（2）电感电容为理想元件。电感工作在线性区而为饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。（3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以忽略。图 1.1 Buck-Boost电路图首先对MOSFET的开关状态进行分析，当MOSFET开通时，电路中分为两个回路：一个是个VgMOSFETL回路，此时电源向电感充电，如图1.2；另一回路是C-R，电容向电阻供电保持负载电压稳定，图 1.2 MOSFET开通时等效电路当MOSFET开关管关断时，电感由于电流不能突变，产生反向自感电动势，此时由于二极管承受正向电压而开通，电感通过二极管续流，给负载供电以维持输出电压不变，同时也给电容充电，图1.3 MOSFET关断时等效电路电路各个时刻的电压电流一个周期波形如下图所示：电压增益：设开关管 MOSFET的导通占空比为D，二极管导通占空比为，稳态时，由电感电压由伏秒平衡可得：解得：1.3 非理想电路分析要求得实际电路的效率就必须对电路中存在的多种损耗进行考虑，需要我们就对实际电路进行分析，这里我们主要考虑到MOSFET的通态等效电阻，电感的等效电阻及二极管的等效（等效电压源和一个电阻）。于是可以到下面两个电路分别为MOSFET的导通和关断状态，如图1.4、图1.5，其中Ron代表MOSFET的通态电阻，Rd代表二极管的通态电阻，代表二极管的等效电压源，代表电感工作时的等效电阻。图 1.4 非理想情况MOSFET开通状态图 1.5非理想情况MOSFET关断状态对于上面两个电路最小无纹波近似并列出其KCL、KVL方程： 式（1.1） 式（1.2）将式（1.1）代入式（1.2）得： 式（1.3）化简得： 式（1.4）由式1.4我们可以画出等效的电路图，如下图：图1.6根据受控源的比例关系可以画出变压器模型，如下图： 图1.7 等效变压器模型于是我们就可以把输出电压Vo表示出来 式（1.5）第2章 器件的选择2.1 基本参数的处理输入电压：Vg=50V， 输出电压： Vo= -20V， 开关频率：=100KHz， 负载：R=4 下图为电感电流与电容电压的波形 图2.1电感电流与电容电压波形由纹波率的要求，可以求得电路的滤波电感量与电容量如下所示： 2.2 功率器件的选择理想输出电压为-20V，负载4欧，流过负载的电流为5A，加在二极管的最大电压约为，所以我们选择快恢复二极管RF1001T2D： 反向电压：200V 平均正向电流Io：10A 导通压降：0.93V 反向恢复时间Trr：30nsMOSFET开关管选择的是IRF510： 导通时等效电阻 漏源极电压Vds：100V 门极源极电压Vgs：20V 开通时间：47ns 关断时间：42ns 门极和漏极总的电荷量=5.0nc于是可以确定出MOSFET的开关占空比M(D)：第3章 损耗的计算在BUCK-BOOST的电路中我们主要考虑MOSFET的关断损耗、正常导通状态时损耗、二极管的恢复电荷损耗及器件的结电容造成的损耗。3.1 MOSFET的关断损耗 图 3.1 MOSFET的关断过程U-I关系图我们考虑在MOSFET的关断过程中二极管为理想情况，忽略二极管造成的电压峰值，即得到MOSFET的电压电流曲线如上图所示。当MOSFET关断时，由于该动作不能够瞬间完成就会产生一部分开通损耗。当MOSFET关断时其两端承受的电压逐渐增大，二极管两端的电压逐渐降低。同理，当MOSFET关断时流过的电流逐渐增加，流过二极管的电流逐渐增大。当MOSFET完成整个关断过程时，二极管完全导通，电感L、负载、二极管构成一个回路，此时流过二极管的电流就是。二极管电压和电流的关系如下： 式（3.1）MOSFET的关断损耗就等于在此过程中电压和电流的成绩。在时刻对应关断瞬间的最大损耗功率为，为简化计算我们近似其他时刻过程都是线性的过程，则可计算出该关断过程的损耗： 3.2 MOSFET的通态损耗稳态时MOSFET导通的电路图如图1.4，其产生的损耗就等于等效电阻所产生的损耗，即。由负载和输出电压知流过负载的电流为5A，又有前面推导的变压器关系得到流过MOSFET的电流。于是我们求出MOSFET的通态损耗： 3.3 二极管的恢复电荷损耗当二极管关断、MOSFET开通时，由于外加电压使二极管逐渐关断，流经二极管的电流要降为零，但是由于二极管的电导调制作用会产生一部分反向恢复电荷Q，这部分反向恢复电荷加载MOSFET上使MOSFET的开通过程电流出项一个峰值，这就会使得MOSFET的开通损耗增加。MOSFET及二极管的电压电流曲线如下图： 图 3.2 二极管反向恢复电荷由上图可知MOSFET的开通过程的损耗就是上图阴影的面积即： 其中为流过MOSFET的电流及二极管反向恢复电荷产生的电流。对阴影面积求积分的到二极管的恢复电荷损耗： 3.4 结电容损耗 （a） （b）图 3.3 MOSFET原理图由MOSFET的结构图（a）知在MOSFET的门极（G）、漏极（D）、源极（S）各存在一个P-N结，将其之间的结电容分别记为、。当MOSFET开通时相当于对结电容进行充电，当MOSFET关断时结电容放电，因此电容的充放电过程就会产生一部分损耗，记为。3.5 效率的计算 第4章 仿真波形根据上面选取的参数我们选用PSIM进行仿真，MOSFET的通态电阻Ron及二极管的导通压降已经在电路中设置完毕。下图为负载的电压电流波形曲线及局部放大图像：由上图显示输出电压电流及纹波值满足要求。第5章 总结与感想通过本次论文的锻炼，我们更加清楚的了解了DC-DC变换器的工作原理与工作过程，特别是对各个开关状态电路中电压电流关系，非常熟悉的掌握，在电路设计与分析过程中，这些是非常重要的。我们选择的BUCK-BOOST电路是基本电路中的一种，它既具有升压又具有降压的功能，电压随着占空比的变化而升高或降低，但是在开关管关断时所承受的电压是Vs+Vo,最大峰值电流与平均电流也相对比较大，效率与单个BUCK或BOOST电路相比低一些。器件的选型是一个重要的环节，通过这次实践，我们掌握了正确选择器件的型号，比如：知道二极管承受的最大反向电压、流过的最大正向电流等参数后如何选择最佳的二极管，而使电路的损耗达到最小；对一些常见器件参数有所了解；使我们对课本上常见的各种基本电力电子器件（如二极管，MOSFET）的认识，从感性认识上升到理性认识的高度，他们不再是一个抽象的符号，而是一个全面而具体的实物。在效率分析过程中，我们对二极管的开通与关断过程，反向电流产生损耗的原理有了更加深入的理解。参考文献：1 张占