Buck-Boost变换器

目 录

摘要 ........................................................................ I 1 Buck/Boost变换器分析 ..................................................... 1

1.1 基本电路构成 ........................................................ 1 1.2 基本工作原理 ........................................................ 1 1.3 工作波形 ............................................................ 2 2 Buck/Boost变换器基本关系 ................................................. 3 3 主要参数计算与选择 ........................................................ 5

3.1输入电压 ............................................................. 5 3.2负载电阻 ............................................................. 5 3.3占空比α ............................................................. 5 3.4电感L ............................................................... 5 3.5输出滤波电容C计算 ................................................... 6 4 理论输入、输出电压表达式关系 .............................................. 7 5 仿真电路与仿真结果分析 .................................................... 8

5.1 buck/boost仿真电路图 ................................................ 8 5.2线性稳压电源仿真 ..................................................... 8 5.3稳压电源波形图 ....................................................... 9 5.4升压时输出电压与电流波形 ............................................ 10 5.5降压时输出电压与电流波形 ............................................ 11 总结 ....................................................................... 13 参考文献 ................................................................... 14

《电力电子装置及系统》课程设计说明书

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

I

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BUCK/BOOST变换器仿真

1 Buck/Boost变换器分析

1.1 基本电路构成

Buck/boost变换器也称作升降压变压器，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。

i1EVVi2iLUL VDL CUOR

图1-1 Buck/Boost 变换器电路图

1.2 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。

1

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1.3 工作波形

升降压斩波电路各输入输出量波形如图1-2所示。

UGE toniLILiLmaxiLmaxT iLmin

ttiViLmintiVDiLmaxiLmintULEUOt图1-2 Buck/Boost变换器工作波形

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2 Buck/Boost变换器基本关系

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。 各时间段工作状态及变量关系如下：

t=0~ton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：

LdiE (2-1) dt IUo (2-2)

oRdUoIo (2-3) Cdtt=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

iLET (2-4) Lt=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

，iL在输出电压Uo的作用下下降：

di LLUo （2-5）

dtdUodUoUo iLC （2-6） IoCdtdtRt=T时，iL减小到最小值iLmin，在ton~T期间iL的减小量为ΔiL为

iLUotoffUo(1)T （2-7）

LL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

Uo （2-8） E1由式（2-8）知，若α=0.5，则Uo=E；若α<0.5，则Uo0.5，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

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Ii （2-9） Io1-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

UceUVDEUoUEo1- （2-10）

由图1-2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

ILiLmaxiLminIVIVD （2-11） 2EiLiLmaxiLmin Lf （2-12）

电感电流最大值iLmax和最小值iLmin分别为

1E iLmaxILiLIL （2-13）

22Lf1E iLminILiLIL (2-14)

22Lf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

IoUoI（L1）R (2-15)

IiIL (2-16) 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

IoUo1iiiIi（1） Vmax (2-17) VDmaxLmaxLL212Lf 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

I Uoo （2-18）

Cf

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3 主要参数计算与选择

3.1输入电压

选择直流上输入电压为40V。

3.2负载电阻

负载电阻选择3欧

3.3占空比α

占空比在升压时选取为0.6，在降压时选取为0.4。

3.4电感L

ILILmaxILILILmintoffton

图3-1 电感电流

在ton期间, IGBT导通, VD1截止, L1储能；在toff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IL如式所示:

ILILmaxILmin （3-1）

在电流连续的情况下,当ILmin的值等于零时, 电感电流的纹波IL值最大。

设电感中允许的最大电流为ILmax, 则电感值可用下式求取：

VtViVoLionILmaxILmaxfViVo （3-2）

按照输出纹波电流为输出电流的10%计算，则ILmax2010%2A并且限定开关频率

f2kHZ，则

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LViVo40405mH (3-3) 3ILmaxfViVo221040403.5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感无关。

设输出电压的允许纹波值为Vo , 则电容值可用式求取:

ItIoVoCoonVoVofViVo (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Vo4010%4V，并且限定开关频率f2kHZ，则

IoVo20400.00125F (3-5) C3VofViVo42104040

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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Ul对时间的积分为零，即

T0uLdt0 (4-1)

当V处于通态状态期间，uL=E；而当V处于断态状态期间，uL=-u0。于是

EtonU0toff 所以输出电压为

U0tontoffEtonαTtonE1-αE

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<时为降压，当1/2<α<1时为升压。

7

(4-2)

(4-3) α<1/2 《电力电子装置及系统》课程设计说明书

5 仿真电路与仿真结果分析

5.1 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。

5.2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

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U0

图5-1 线性稳压电源工作原理图

仿真电路图如图5-2

图5-3 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Co的值为5e-2；电容Co1的值为5e-2；负载Ro的值为1000 ；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 Bridge均为默认。

5.3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。

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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。

5.4升压时输出电压与电流波形

以下是输出电压与电流的波形图以及对其的分析

图5-3 升压输出电压整体波形图

图5-4 升压输出电压局部波形图

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图5-5 升压输出电流整体波形图

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72.55V左右，而此时的占空比α控制为0.6，所以由理论公式U0tontonαEEE推导得输出toffTton1-α电压理论数值为75V。仿真得到的电压值与理论值有2.45V的偏差，但因偏差较小，可以

认为符合理论关系式。

5.5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

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图5-8 降压输出电压局部波形图

图5-9 降压输出电流整体波形图

图5-10 降压输出电流局部波形图

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37.3V左右，而由理论公式U0tontonαEEE推导得输出电压理论值为33.3V,仿真值与理论值toffTton1-α

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相差4V，但是偏差值还算较小，所以可以证明理论关系式成立。

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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Matlab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Matlab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题，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，对结果的分析等一系列工作，是原先抽象的知识变得很直观，加深了对其工作的记忆。总之，这次课程设计还是很有意义的，在此，感谢老师与同学的热心帮助。

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参考文献

（1）杨荫福、段善旭、朝泽云. 电力电子装置及系统. 清华大学出版社，2006.9 （2）王兆安、刘进军. 电力电子技术. 机械工业出版社，2009.5 （3）林渭勋. 现代电力电子技术. 机械工业出版社，2006 （4）张占松. 开关电源的原理与设计. 电子工业出版社，1998 （5）陈坚. 电力电子学. 高等教育出版社，2004

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