Boost变换器原理.docx
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Boost变换器原理
由IGBT组成的升压变换器的建模及应用仿真
摘要：
根据电力电子技术的原理，升压式变换器的输出电压U0高于输入电源电压Ui,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：
升压变换器IGBTMatIab建模
、设计内容
1.设计原理
VD
r>τ>r∖-
>>1-
»
kiλλ∖
S
+pη
PC
PWM
4
»4
»
十
图1升压变换器电路图
图1是升压变换器的电路图，其中Ui为输入直流电源，S为开关管（在本设计中使用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Ui串联，以高于Ui的电压向电路的后级供电，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。
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ton,关断时间toff,开关工作周期T=t°n∙t°ff。
定义占空比
为：
d_凹，升压比为：
T
电流连续时，输出电压：
M_1。
理论上电感储能与释放能量相等，所以当电感
1-D
1T
U。
UiUi
1-Dtoff
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-4H;
（3）RC负载设置：
R为24Ω;C为5.4E-5F；
（4）脉冲信号发生器设置：
PulSetypeTime（t）、AmPIitude、PhaSedelay（secS均采用
默认设置，PeriOd（SeCS设置为25e-6,PulseWidth（%OfPeriOd）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-5F,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影响，并用输出电压纹波的公式验证仿真结果。
二、MatIab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；UO用来测量负载电压；
IGBTCUrrent为流经IGBT的电流；Scope为示波器；PulseGenerator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-5F和10.8E-5F,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。
（4）将滤波电容值恢复为5.4E-5F,将负载阻值改为121和4^1,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。
ImeallSetK∣∩
图3f=40KHz,D=0.2时
Pube
图4f=40KHz,D=0.4时
PUSe
图5f=40KHz,D=0.6时
图6f=40KHz,D=0.8时
D
Pdke
图7f=20KHz,D=0.4时
图8f=80KHz,D=0.4时
图9f=40KHz,,D=0.4,C=2.7E-5F时
图10f=40KHz,D=0.4,C=10.8E-5F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
1随之不断增大，该现象可由式子Uo-Ui得到。
I-Di
（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。
D*U
以上结论
（2）、（3）、（4）的现象可由式子心Uo=DUO推出，由该式可看出，C*f*R
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。
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MatIab的建模过程。
使用MatIab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，也可以随意地改变电路的
结构，而在实际应用中需要重新更换器件和结构，浪费时间和金钱，使用MatIab仿
真省去了繁琐的工作，在电路分析比较中的优越性更明显。
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