BuckBoost变换器的设计与仿真Word格式文档下载.docx

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开关管也采用PWM控制方式。

Buck/Boost变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。

因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。

图2-1Buck/Boost主电路结构图

电流连续时有两个开关模态，即V导通时的模态1，等效电路见图2（a）；

V关断时的模态2，等效电路见图2（b）。

（a）V导通

（b）V关断，VD续流

图2-2Buck/Boost不同模态等效电路

2.2电感电流连续时的工作原理及基本关系

电感电流连续工作时的工作主要波形见图2-3。

图2-3电感电流连续时的主要波形

为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。

电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有V导通和V关断两种工作模态。

在模态1[0～ton]：

t=0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：

t=ton时，电感电流增大到最大值iLmax，V关断。

在V导通期间电感电流增加量ΔiL为

在模态2[ton～T]：

t=ton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，iL在输出电压Uo的作用下下降：

t=T时，iL减小到最小值iLmin，在ton~T期间iL的减小量为ΔiL为

此后，V又导通，转入下一个工作周期。

由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个过程：

第一个是V开通L储存能量的过程，第二个是电感能量向负载和电容C转移的过程。

稳态工作时，V导通期间iL增长量应等于V关断期间iL的减少量，或一个工作周期内作用在电感L上电压的伏秒面积为零，有

（2-1）

由式（2-1）知，若α=0.5，则Uo=E；

若α<

0.5，则Uo<

E；

若α>

0.5，则Uo>

E。

若不计变压器损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流的平均值Io之比为

（2-2）

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

（2-3）

由图3可见，电感电流平均值IL等于V和VD导通期间流过的电流平均值IV和IVD之和，即

电感电流最大值iLmax和最小值iLmin分别为

（2-4）

（2-5）

负载电流Io等于流过二极管VD电流的平均值IVD，即在t=ton～T期间，电感电流的平均值为

（2-6）

（2-7）

开关管V和二极管VD电流的最大值iVmax、iVDmax等于电感电流的最大值iLmax

（2-8）

因为电容很大，因此输出电压在一个开关周期内变化较小，则输出电压脉动量可用V导通期间电容C放电量QC=IoαT计算，因QC=C·

ΔUo，故

（2-9）

3主电路参数的计算

本电路要求输入电压为40V，输出电压为50V，输出功率P为400W，输入纹波电流为输入电流平均值的2.5%，输出纹波电压为输出电压平均值的2.5%，开关频率为100kHZ。

占空比：

由式（2-1）可得占空比

，则α为0.556。

输出电流（二极管电流）的平均值：

因为电容足够大，忽略电容电流，则

=8A。

由式（2-2）可得，输入电流（电感电流）的平均值Ii=10.02A。

电感：

根据纹波电流为输入电流平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电感电流的增量为ΔiL=0.502A，因此电感值

=0.443mH。

电容：

根据输出纹波电压为输出电压平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电容电压的增量为ΔUo=2.5V，则由式（2-9）可得电容值

=17.8uF。

开关管的选择：

流过开关管的电流最大值

=18.27A，开关管承受的最大反向电压为50V，平均值为31.85V，考虑一定的裕量，承受的最大反向电压为63.7V。

二极管的选择：

二极管所承受的最大电流和最大反向电压与开关管的相同，分别为18.27A和63.7V。

4MATLAB仿真

用MATLAB软件搭建如下仿真图，按第3章计算的参数对相关的元器件进行设定并进行仿真。

图4-1Buck/Boost仿真接线图

以下为仿真结果：

图4-2输出电流仿真图（整体）

图4-2为仿真电路输出电流的波形，可见在仿真运行一段时间后，其数值稳定在7A~8A之间，为了看的更加清晰，将其进行局部放大，如图4-3为输出电流的局部放大仿真图，由可见其值基本稳定在7.35A。

图4-3输出电流仿真图（局部放大）

图4-4输出电压仿真图（整体）

图4-4为仿真电路输出电压的波形，在仿真运行一段时间后，其数值稳定在40V~50V之间，为了看的更加清晰，将其进行局部放大，如图4-5为输出电压的局部放大仿真图，由可见其值基本稳定在47.9V。

图4-5输出电压仿真图（局部放大）

图4-6电感电流仿真图（整体）

图4-6为仿真电路电感电流的波形，在仿真运行一段时间后，其数值稳定在10A~12A之间，为了看的更加清晰，将其进行局部放大，如图4-7为电感电流的局部放大仿真图，由可见其值基本稳定在11.45A。

图4-7电感电流仿真图（局部放大）

经过MATLAB仿真得出的输出电流平均值为7.35A，输出电压平均值为47.9V，电感电平均值为11.45A，虽与计算值8A、50V有一定偏差，ΔUo<

2.5V，ΔIo略大于0.502A，但纹波电流和纹波电压都小于2.5%，可见仿真结果与设计要求基本符合。

5结论

本文给出了Buck/Boost直流变换器的主电路的结构图、在电感电流连续时的主要波形，并对其工作原理进行了详细的分析，按照要求计算出了主电路元器件的相关参数，再利用MATLAB搭建仿真线路图进行仿真，得出仿真波形，从仿真出的波形图与计算出的数据进行比较，误差值在规定范围内，可见此设计时比较成功的。

心得体会

通过这一周对Buck/Boost变换器的课程设计，加深了我对Buck/Boost直流斩波电路工作原理的理解，也丰富了我对直流-直流变换器的认识，让我知道除了Buck斩波电路、Boost斩波电路之外，还有其他功能强大且应用广泛的斩波电路。

除此之外，通过使用MATLAB软件进行仿真，让我了解了MATLAB这款软件了工作环境、工作面板，一定程度上了解了MATLAB的使用和操作方法，为日后对此软件的使用打下了基础。

电力电子技术在我们的生活中应用十分广泛且占有重要地位，我们一定要学好它。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：

机械工业出版社，2010

[2]严仰光.双向直流变换器[M].南京：

江苏科学技术出版社，2004

[3]廖冬初，聂汉平.电力电子技术[M].武汉：

华中科技大学出版社，2007.9

[4]陈怀琛，吴大正，高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：

电子工业出版社，2002

[5]黄俊，秦祖荫.电力电子自关断器件及电路[M].北京：

机械工业出版社，1991