Boost变换器原理

精品文档 1欢迎下载 由由 IGBTIGBT 组成的升压变换器的建模及应用仿真组成的升压变换器的建模及应用仿真 摘要 摘要 根据电力电子技术的原理 升压式变换器的输出电压高于输入电源电压 0 U 控制开关与负载并联连接 与负载并联的滤波电容必须足够大 以保证输出电 i U 压恒定 储能电感也要很大 以保证向负载提供足够的能量 在设计中 采用绝缘 栅双极型晶体管 IGBT 作为开关管 它既具有输入阻抗高 速度快 热稳定性好 驱 动电路简单 又具有通态电压低 耐压高 流通大电流等优点 关键词 关键词 升压变换器 IGBT Matlab 建模 一 设计内容一 设计内容 1 设计原理 图 1 升压变换器电路图 图 1 是升压变换器的电路图 其中为输入直流电源 S 为开关管 在本设计 i U 中使用 IGBT 作为开关管 在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态 当开关管 S 导通 输入电流流经电感 L 和开关管 S 开关管两端的电压降为零 电感两端产生电压降 电感电流开始线性增长 电感开始储存能量 此时二级管 VD 处于关断状态 当开关管 S 截止 由于电感电流的连续性 电感 L 的线圈产生的磁场将改变线 圈两端的极性 以保持电感电流不变 因此电感电压在这一时段出现负电压 此电 压是由线圈的磁能转化而成的 它与电源串联 以高于的电压向电路的后级供 i U i U 电 使电路产生了升压作用 此时 电感向后级释放能量 电感电流不断减小 电 感电流通过二极管 VD 到达输出端后 一部分为输出提供能量 一部分为电容充电 精品文档 2欢迎下载 这是升压变换器的一个工作周期 此后变换器重复上述过程工作至稳态过程 2 输出电压与输入电压的关系 若开关管导通时间 关断时间 开关工作周期 定义占空比为 on t off t offon tt T 升压比为 理论上电感储能与释放能量相等 所以当电感电 流连续时 输出电压 3 参数设置 1 电源电压设置为直流 24V 2 储能电感设置为 3 6E 4 H 3 RC 负载设置 R 为 24 C 为 5 4E 5 F 4 脉冲信号发生器设置 Pulse type Time t Amplitude Phase delay secs 均 采用默认设置 Period secs 设置为 25e 6 Pulse Width of Period 设置为 20 5 二极管 IGBT 电压 电流测量量均采用默认值 4 仿真目的 1 观察占空比变化对输出电压的影响 更改脉冲发生器中的周期参数 在占空比为 20 40 60 80 时 观察 波形 估计输出电压的值 2 观察开关频率变化对输出电压纹波的影响 占空比恢复为 40 将脉冲发生器输出驱动信号的频率改为原来的一半 20KHz 和二倍 80KHz 观测并估计两种条件下电压纹波的大小 3 观察滤波参数变化对输出电压纹波的影响 将脉冲发生器输出驱动信号的频率恢复为 40KHz 将滤波电容值改为原来的一 半和二倍 观测并估计两种条件下电压纹波的大小 4 观察负载阻值变化对输出电压纹波的影响 将滤波电容值恢复为 5 4E 5 F 将负载阻值改为原来的一半和二倍 观测两种 条件下电压纹波的变化并估计其大小 结合仿真结果说明开关频率 滤波参数以及负载大小的变化对输出电压纹波的 T t D on D M 1 1 i off U t T U i U D1 1 0 精品文档 3欢迎下载 影响 并用输出电压纹波的公式验证仿真结果 二 二 MatlabMatlab 的建模及仿真的建模及仿真 1 仿真电路 仿真模型图如图 2 所示 图 2 升压变换器建模图 Simulink 仿真模型图中电压源为 24V 直流电压 L 为升压电感 Diode 为电力 二极管 单向导通 阻止电流反向流动 C 为滤波电容 IGBT 为斩波器件 R 为负 载 其中 IL 用来测量流经 L 的电流 ID 用来测量二极管电流 用来测量负载电 O U 压 IGBT current 为流经 IGBT 的电流 Scope 为示波器 Pulse Generator 为 PWM 脉冲发生器 调节其占空比就可以控制输出电压的大小 2 仿真波形 1 占空比为 20 40 60 80 时 输出电压的波形分别如图 3 图 4 图 5 图 6 所示 2 占空比为 40 开关频率为 20KHz 和 80KHz 时 输出电压的波形如图 7 图 8 所示 并观察这两种条件下输出电压纹波的变化 3 将脉冲发生器的开关频率设为 40KHz 将滤波电容值改为 2 7E 5 F 和 10 8E 5 F 输出电压的波形如图 9 图 10 所示 并观察这两种条件下输出电压纹 波的变化 精品文档 4欢迎下载 4 将滤波电容值恢复为 5 4E 5 F 将负载阻值改为 12和 48 输出电压 的波形如图 11 图 12 所示 并观测这两种条件下电压纹波的变化 图 3 f 40KHz D 0 2 时 精品文档 5欢迎下载 图 4 f 40KHz D 0 4 时 图 5 f 40KHz D 0 6 时 精品文档 6欢迎下载 图 6 f 40KHz D 0 8 时 图 7 f 20KHz D 0 4 时 精品文档 7欢迎下载 图 8 f 80KHz D 0 4 时 图 9 f 40KHz D 0 4 C 2 7E 5 F 时 精品文档 8欢迎下载 图 10 f 40KHz D 0 4 C 10 8E 5 F 时 图 11 f 40KHz D 0 4 C 5 4E 5 F R 12时 精品文档 9欢迎下载 图 12 f 40KHz D 0 4 C 5 4E 5 F R 48时 通过观察 对比以上仿真波形图可得以下结论 1 由图 3 图 4 图 5 图 6 可知 随着占空比的不断增大 输出电压的值 也随之不断增大 该现象可由式子得到 iO U D U 1 1 2 由图 7 图 8 可知 其他参数不变 当开关频率减小为原来的一半时 输 出电压的波动变大 而当开关频率增大为原来的二倍时 输出电压的波动变小 3 由图 9 图 10 可知 其他参数不变 当滤波电容值减小为原来的一半时 输出电压的波动变大 而当滤波电容值增大为原来的 2 倍时 输出电压的波动变小 4 由图 11 图 12 可知 其他参数不变 当负载阻值减小为原来的一半时 输出电压的波动变大 而当负载阻值增大为原来的 2 倍时 输出电压的波动变小 以上结论 2 3 4 的现象可由式子推出 由该式可看出 RfC UD U o o 输出电压的纹波与滤波电容 开关频率 负载阻值成反比 于是 当 C F R 的值 增大时 输出电压的纹波都变小 精品文档 10欢迎下载 三 总结三 总结 通过本次设计 对于具有自关断能力的 GTO MOSFET IGBT 全控型器件组成的 变换器有了一定的了解和认识 熟悉了 Matlab 的建模过程 使用 Matlab 仿真摆脱 了常规的分析方法 更加快捷和方便 能够直观的反映出电路的情况 对电路的研 究更实用和方便 在分析电路时可以修改电路中器件的参数来修改电路 也可