电力电子技术项目实训设计报告模板3.docx
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电力电子技术项目实训设计报告模板3
课程设计说明书
设计名称：
电力电子技术项目实训
题目：
DC/DCBuck-Boost变换器的
主电路和控制电路设计
学生姓名：
专业：
电气工程及其自动化
班级：
12（4）班
学号：
指导教师：
屈莉莉杨兆华
日期：
2015年1月16日
课程设计任务书
电气工程与自动化专业12年级4班
一、设计题目
DC/DCBuck-Boost变换器的主电路和控制电路设计
二、主要内容
设计一个DC/DCBuck-Boost变换器的主电路和控制电路，利用MATLAB/PSIM仿真软件，对所设计的电路进行仿真验证。
输入电压为20V，输出电压为10V-40V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为10Ω，开关管选用MOSFET，工作频率为20KHz。
三、具体要求
1.根据DC/DCBuck-Boost变换器的工作原理设计电感电流连续情况下主电路参数；
2.建立DC/DCBuck-Boost变换器仿真模型；
3.研究MOSFET门极触发脉冲Vg、电感电压VL、电感电流iL、输出电压VO、MOSFET电流iQ1、二极管电流iD1的波形，并对结果进行分析；
4.仿真分析电感电流断续时的电路工作情况；
5.设计控制电路，保证输入电压或负载变化±20%时，输出电压保持不变，且纹波控制在2%以内。
根据电压负反馈控制的基本原则，确定补偿网络传递函数的形式和参数大小，并用波特图验证所设计的闭环控制系统是否稳定；
6．撰写设计报告。
四、进度安排
1．每个同学选定题目，独立查阅文献资料；（1天）
2．熟悉仿真软件。
（1天）
3．主电路参数设计；（2天）
4．建立主电路仿真模型和完成开环状态下仿真验证；（3天）
5．控制电路参数设计；（2天）
6．建立控制电路仿真模型和完成闭环状态下仿真验证；（3天）
7．编写不少于3000字的项目总结报告及提供仿真模型（电子版）；（2天）
8．总结与答辩。
（1天）
五、完成后应上交的材料
1.设计报告；
2.仿真模型（电子版）。
六、总评成绩
指导教师签名日期年月日
系主任审核日期年月日
目录
1设计任务和要求1
1.1设计任务1
1.2设计要求1
2DC/DCBuCK-Boost变换器主电路工作原理分析
2.1
2.2
3DC/DCBuck-Boost变换器主电路参数设计
3.1
3.2
3.3
3.4
4主电路仿真模型及开环状态下仿真结果分析
4.1
4.2
5DC/DCBuck-Boost变换器控制电路工作原理分析
5.1
5.2
6DC/DCBuck-Boost变换器控制电路参数设计
6.1
6.2
7控制电路仿真模型及闭环状态下仿真结果分析
7.1
7.2
7.3
8结论及存在问题
8.1
8.2
参考文献
1设计任务和要求
1.1设计任务
设计一个DC/DCBuck-Boost变换器（如图1-1）的主电路和控制电路，利MATLAB/PSIM仿真软件，对所设计的电路进行仿真验证。
基本参数为：
输入电压为20V，输出电压为10V~40V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为10Ω，开关管选用MOSFET，工作频率为20KHz。
图1-1Buck-Boost变换器主电路
1.2设计要求
1.设计主电路，根据Buck-Boost变换器的工作原理
1）电感电流连续情况下，设计主电路参数；
2）建立DC/DCBuck-Boost变换器仿真模型；
3）研究MOSFET门极触发脉冲Vg、电感电压VL、电感电流iL、输出电压VO、MOSFET电流iQ1、二极管电流iD1的波形，并对结果进行分析；
4）仿真分析电感电流断续时的电路工作情况。
2.设计控制电路，保证输入电压或负载变化±20%时，输出电压保持不变，且纹波控制在2%以内。
根据电压负反馈控制的基本原则，确定补偿网络传递函数的形式和参数大小，并用波特图验证所设计的闭环控制系统是否稳定。
2DC/DCBuCK-Boost变换器主电路工作原理分析
2.1原理分析
升降压斩波电路的原理图如图2-1所示。
由可控开关V、储能电感L、二极管VD滤波电容C、负载电阻RL和控制电路等组成。
图2-1Buck-Boost电路原理图
当开关管V收到控制电路的触发脉冲信号而处于通态时，电源E经V向电感L供电，感应电势的极性为上正下负，二极管VD因反向偏置截止，储能电感L此时处于储能状态，将电能变换成磁能储存起来，电流从电源E的正端经V及L流回电源的负端。
同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载RL供电。
经过ton时间以后，开关管V受控而截止时，储能电感L自感电势的极性变为上负下正，二极管VD正向偏置而导通，储能电感L所存储的磁能通过VD向负载RL释放，并同时向滤波电容C充电。
经过时间Toff后，控制脉冲又使V导通，VD截止，L储能，已充电的C向负载RL放电，从而保证了向负载的供电。
此后，又重复上述过程。
由上述讨论可知，这种升降压斩波电路输出直流电压V2的极性和输入直流电压升降压斩波电路E的极性是相反的，故也称为反极性斩波电路。
2.2电路运行状态分析
设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
使电感电流iL和电容电压即负载电压u0基本为恒值。
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
当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=uo。
于是
所以输出电压为
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0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。
也有文献直接按英文称之为buck-boost变换器
图2-2给出了电源电流uL和负载电流i1的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有
由上式可得
如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则
EI1=U0I2
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
图2-2升降压扎波电路的工作波形
3DC/DCBuck-Boost变换器主电路参数设计
根据以上给定的参数值和假设，确定的参数初始设定值如下：
取输入V1为20V，输出二V2为20V，输出电流I0为1A，可初步选择：
开关频率fs=20kHzT=5e-5取负载电阻R1=10Ω
3.1占空比α
由
=
得，
E＝20V，U0＝20V，
故α＝0.5
3.2电感L
升降压斩波电路中，储能电感的电感量L若小于其临界电感Lmin，其后果会使流过储能电感的电流iL不连续，引起开关管、二极管以及储能电感两端的电压波形出现台阶。
这种有台阶的波形，将导致直流交换器输出电压纹波增大，电压调整率变差。
为了防止上述不良情况的出现，储能电感的电感量L应按L≥1.3Lmin选取。
根据临界电感Lmin的定义可知，当储能电感的电感量L＝Lmin时，通过储能电感的电流iL都是从零线性增加至其峰值电流iLmax，而开关管截止期间，iL却由iLmax下降到零。
在这种情况下，不仅iL不会间断，而且开关管、二极管和电感两端电压的波形也不会出现台阶，流过储能电感的电流iL的平均值IL正好是其峰值电流iLmax的一半。
，L＝Lmin，IL0＝0代入公式（3）得
………………………………………………………………………（6）
根据电荷守恒定律，电路处于周期稳态时，储能电感在开关管Q截止期间（toff期间）所释放的总电荷量等于负载在一个周期（T）内所获得的电荷总量，即
ILt
=I0T
……………………………………………………………………………（7）
由公式（6）（7）可得
取I0＝1A，toff＝（1－0.4615）T
则
故
另进一步按公式:
即-36=L1*-0.1/（2.5e-5*0.5）
故可取L1≈4.5mH
电容C
升降压斩波电路中，对于二极管D的电流iD和输出电压V2，二极管截止时（即ton期间），电容C放电，V2下降；而二极管导通时（即toff期间），电容C充电，V2上升。
在此期间，流过二极管的电流iD等于储能电感的电流iL。
设流过C的电流为ico，则
………………………………………………………………（8）
（2）式代入（8）式得
通过ico求出toff期间C充电电压的增量，就可得到输出脉动电压峰峰值△UP－P，即
………………………………………（9）
由于
；
由（19）式得到：
……………………………………………………（10）
滤波电容的电容量C0可根据给定的输出脉动电压峰峰值△UP－P的允许值，按（10）式计算，即
……………………………（11）
选用电容器时，应注意其耐压是否符合电路的要求，在高频应用时，还应考虑电容器本身的串联等效电阻和阻抗频率特性。
进一步按公式:
即36/36=C1*3.6/（2.5e-5*0.5）
确定C1=10.4uF
附：
图、表和参考文献格式要求
图1-1基本蚁群算法的流程图
（a）多谐振荡器（b）工作波形
图2-1555多谐振荡器
表2-1异端电压供电：
（V=5V,R2=2K）
电压
V+
V-
Vout
4.8
2.5
2.2
3.48
4.64
2.32
2.2
3.46
4.37
2.18
2.2
0.01
参考文献
[1]孔鹏.VisualC++6.0完全自学手册[M].北京:
机械工业出版社,2007.
[2]于兴.一种改进的遗传算法及其在TSP求解中的应用[D].山东：
山东大学,2006.
[3]单源最短路径算[EB/OL].
[4]孙力,须文波.量子搜索算法体系及其应用[J].计算机工程与应用,2006,14
（2）:
55-57.
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