Buck-Boost变换器

1、摘要I1 Buck/Boost变换器分析 1基本电路构成1基本工作原理1工作波形22 Buck/Boost变换器基本关系 33主要参数计算与选择5输入电压5负载电阻5占空比a 5电感L 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8buck/boost 仿真 电路 图 8线性稳压电源仿真8稳压电源波形图9升压时输出电压与电流波形10降压时输出电压与电流波形11总结13参考文献14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

2、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Simulink Buck/Boost变换器BUCK/BOOST变换器仿真1 Buck/Boost变换器分析基本电路构成Buck/boost变换器也称作升降压变压器

3、，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。v |2 yDH niLV1匸二 EUl LC= Uo JR图11 Buck/Boost变换器电路图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

4、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。工作波形升降压斩波电路各输入输岀量波形如图1-2所示。图1-2 Buck/Boost变换器工作波形2 Buck/Boost变换器基本关系电感电流连续工作时，Buck/Boost变

5、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=0on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：L = E(2-1)dtZ 5R(2-2)CdU -I(2-3)dtt二J时，电感电流增大到最大值Umax, V关断。在V导通期间电感电流增加量Ah为FML=-aT(2-4)厶t二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(2-5)(2-6)(2-7),h在输出电压山的作用下下降：-C竺+,c坐县L clt dt Rt=T时，ii.减小到最小值ii.nin,在t?T期间ii.的减小量为 i【.为U

6、= _L(1_,则IVE。若不计变压器损耗，则输入电流平均值L：和输出电流的平均值h之比为a(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(2-10)由图1-2可见，电感电流平均值L.等于V和VD导通期间流过的电流平均值和5之if. - kmax - min -厶f(2-11)(2-12)和，即电感电流最大值iiz和最小值匚品分别为1E = +- = /+ 2-13)1F、山“ 一円 f-页。(2-14)负载电流I。等于流过二极管VD电流的平均值5,即在“T期间，电感电流的平 均值为卄一)(2-15)(2-16)(2-17)开关

7、管V和二极管VD电流的最大值订-iw等于电感电流的最大值订唤bmax = ivDmax = Umax =L+ T77(1 一仪)z 1 a LlA因为电容很大，因此输出电压在一个开关周期内变化较小，则输岀电压脉动量可用V导通期间电容C放电量Qc=IoT计算，因Q=C AU(1,故/=也(2-18)Cf3主要参数计算与选择输入电压选择直流上输入电压为40V。负载电阻负载电阻选择3欧占空比a占空比在升压时选取为，在降压时选取为。电感L图3-1电感电流在r。”期间，IGBT导通，截止，厶储能；在G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乙如式

8、所示:LmaxLmin(3-1)在电流连续的情况下，当厶丽的值等于零时，电感电流的纹波乙值最大。设电感中允许的最大电流为/Lmax,则电感值可用下式求取：Lmax(Vf + o)( 3-2 )按照输出纹波电流为输出电流的10%计算，则/；.max = 20xl0% = 2A并且限定开关频率 f = 2kHZ,则厶=匕）40x402x2x103x(40 + 40)=5niH(3-3)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

9、感无关q设输岀电压的允许纹波值为匕则电容值可用式求取:匕匕）(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，则厶K=40xI0% = 4V,并且限定开关频率f = 2kHZ.则AV/(V-+V)20x404x2x103x(40 + 40)=0.00125 F(3-5)4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III对时间的积分为零，即 uLdt = 0当V处于通态状态期间，uL=E；而当V处于断态状态期间，uL二-uO。于是Eton = UOt off所以输出电压为(4-1)(4-2)uq = !2!Le = -e=etogT 一 ton1-a(4-3)改

10、变占空比a ,输岀电压既可以比电源电压髙，也可以比电源电压低。当 时为降压，当l/2a 1时为升压。0a 1/25仿真电路与仿真结果分析buck/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。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仿真电路图如图5-2osa Sven ；9CW冲图5-

11、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C。的值为5e-2； 电容Col的值为5e-2；负载Ro的值为1000 G；方波发生器中Period设置为1 /200000, Pulse Width (% of period)设置为占空比 50%； Gain 设置为 100； T, Universal Br i dge 均 为默认。稳压电源波形图按照所设定参数进行仿真得到稳压电源波形图如图5-2所示。图5-2稳压电源波形图本课程设计中采用输出电压为50V,当然由波形图也可直观看出其输出模式。升压时输出电压与电流波形以下是输岀电压与电流的波形图以及对其的

12、分析图5-3升压输出电压整体波形图72 6:；72 5 :图5-4升压输出电压局部波形图图5-5升压输出电流整体波形图24 424 224图5-6升压输出电流局部波形图由输出的升压电压波形图可以直观的看到电压最后趋于稳定，在最后稳定在左右，而此时的占空比a控制为，所以由理论公式UO = -E = -E = E推导得输出电压理论数 fojfT 一 ton1-a值为75V。仿真得到的电压值与理论值有的偏差，但因偏差较小，可以认为符合理论关系 式。降压时输出电压与电流波形图5-7降压输出电压整体波形图图5-8降压输出电压局部波形图12.5 -：-:八. 八宀.12.4 图5-10降压输出电流局部波形

13、图由输出的降压电压波形图可以直观的看到电压在最后趋于稳定状态，在最后稳定在左右，而由理论公式t/o = E = -E = E推导得输出电压理论值为，仿真值与理论值相差4V,但 toff T -ton 1-a是偏差值还算较小，所以可以证明理论关系式成立。总结本次课程设计是对电力电子技术知识的一个分析和应用，通过对资料的查询，使自己 对直流斩波电路的几种类型有了更加深入的了解，对其工作电路和波形也有了较好的掌 握。本设计是在Mat lab的环境中建立仿真，对Buck/Boost变换器进行设计与分析。由于 时间比较紧张，所以使得自己更加积极地学习相关知识。另外，之前对Mat lab用的较少, 所以并不是很熟悉其运行环境。为了顺利的完成设计，我请教班上对此软件熟悉的同学， 加上自己不断地动手操作，逐渐能够用它完成一些简单的布线与仿真。现在感觉Simulink 还是挺好用的。此仿真验证了课本上Buck/Boost变换器的理论关系式，使得我对其升降 压变换有了较深入的了解。在设计的过程中还是有一些困难，但在同学的细心指导下还是顺利地解决了这些问 題，这也加强了我对问题的思考和解决能力，原本对肯本上的知识只是限于一知半解的程 度，现在通过自己设计仿真，对