500W升压斩波电路设计与仿真.docx

500W 升压斩波电路设计与仿真摘要：本文对 Boost 升压斩波电路的工作原理进行了详尽分析，并用Visio 软件做出电路在电感电流连续工作时的主要波形，并根据电路需要完成的任务进行参数计算，最后用 Matlab/simulink 软件搭建主电路，根据所计算的参数对用到的元器件进行参数设定，对 Boost 电路进行仿真。关键词：Boost 升压斩波电路；Visio 软件；Matlab/simulink 软件； 仿真500W boost chopping circuit design and simulationAbstract：In this paper the boost chopping circuit working principle is discussed in detail, and using Visio software to make the circuit in the inductor current discontinuous operation when the main waveform, and according to the circuit need to complete the task parameter calculation, finally uses the Matlab/simulink software to build the main circuit, according to the parameters of the components used to set parameters, to boost chopper circuit simulation.Key words ： Boost chopper;Visio software; Matlab/simulink software; Simulation1. 序言近年来，不断进步的计算机技术为现代控制技术在实际生产、生活中提供了强有力的技术支持，新的材料和结构器件又促进了电力电子技术的飞速发展，且在各行业中得到广泛的应用。电力电子技术（Power Electronics Technology）是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。高功率密度、高效、高可靠性、体积小、重量轻等特点的开关电源已在航空航天、通信、计算机等各个领域得到了广泛的应用。开关电源的核心是开关变换器，对开关变换器的建模和控制方法显然是对电路分析设计的关键环节电力电子中的直流变换器（ DC-DC Converter）在电力电子中占有非常大的地位，在电力电子中应用非常广泛。直流-直流变流电路又叫斩波电路，包括六种基本斩波电路： 降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck-Boost）、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。在这里以升压斩波电路为例进行分析。2. Boost 主电路拓扑和控制方式2.1 Boost 主电路的构成升压斩波电路（Boost Chopper）的主电路原理如图 1，Boost 变换器是输出电压Vo高于或等于输入电压Vin的直流变换器，其主电路由四个元器件构成，其中电路中电感L f 在输入端称为升压电感。开关管V 为 PWM 工作，其占空比不允许超过 1，Boost 电路工作是由于升压电感值大小的不同，出现电流连续和断续两种情况，但在实际应用中主要要求电感值足够大，使 Boost 电路工作在电流连续的状态下。因此为了分析方便，现假设升压感足够大，在一个周期内电流连续。iLfL+-ViLcfVCf+-RfVinDi o+Vo-图 1 Boost 电路工作原理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）。iLfL+-VLCfRfDi oVVinin（a）V 导通（b）D 续流图 2 Boost 开关模块的等效电路2.2 电感电流连续工作时的基本关系电感电流连续工作时的工作主要波形见图 3。iLf maxiLf miniLf maxiLf miniLf maxiLf minVinV - VointonVGEtiLfti VitDtVLttoff图 3 主要工作波形为了分析方便，在此忽略电感的寄生电阻，且假设滤波电容足够大。t=0 时刻，V 导通，Vin全部加在Lf上，iLf增加，负载功率由C 储f能提供；t= t 时，i达到最大值i，关断V，i通过二极管D 向负onLfLf m inLf载流动，电源功率和电感储能一起向Cf和负载R 转移，Cf充电，i减Lf小，当t=T 时， iLf= iLf m in，此后V 及再次导通进入下一次循环周期。V 导通时，设占空比为a ，电感iLf 的增量为 idiLfLLf = Vf dtinV a，则电压方程为（2-1）（2-2）i= inTLfLi为：LffV 关断时，电压方程和电感电流iLfdiLLf = V -Vf dtoin的减少量（2-3）Vi= o Lf-Vin (1-a )TL（2-4）f在电路工作稳态时，在一个开关周期内，电感电流增加量应等于下降量，因此oV =1V1-ain（2-5）若不计变换器损耗，则Iin =11-a（2-6）Io上式中的I 和Iino分别为Boost 变换器的输入电流和输出电流。流过L 的电流的平均值为：fi+ iI= Lf minLf maxLf2I= ILfin（2-7）（2-8）由于滤波电容足够大，所以流过二极管的平均电流等于输出电流，即VI= I = o DoR（2-9）流过开关管IGBT 的电流的平均值为：I = IVLf- I= I - IDino= aI1-a o（2-10）流过开关管和二极管电流的最大值为：i= i= i=Io(1-a)aV+ o（2-11）V maxD maxLf max1-a2L ff开关管和二极管截止时承受的电压等于输出电压，即V = V = VVDo（2-12）输入电流脉动等于电感电流脉动，即i = i- i=in =o a(1-a)（2-13）VVinLf minLf minL fL fff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Cf的放电量Q来计算，QCCff= I a T ，又o有Q= CV =oaC fCffV ，故得oIo（2-14）f由上式可见，当占空比a 接近 1 时，输出电压趋于无穷大。3. 主电路参数计算本电路要完成的功能为：输入电压为48V，输出电压为100V，输出功率 P 为 500W，输入纹波电流为输入电流平均值的 2%，输出纹波电压为输出电压平均值的 2%，开关频率为 100kHZ。占空比：根据式a= 1-V 可得占空比a = 0.52 。inVo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I = IoD= P =5A。Vo输入电流（电感电流）的平均值： Iin1= I= 10.4 A 。o 1-a升压电感的选择：根据纹波电流为输入电流平均值的 2%，可得在开关管导通期间电感电流的增量为 iLfV a T=0.416A，因此电感值为L = infiLf=0.6mH。滤波电容的选择：根据输出电压和输出电流可得负载电阻为R=20 W ，根据输出纹波电压为输出电压平均值的 2%，可得滤波电容值为oFC = V a T =6.5 m。fR Vo二 极 管 的 选 择 ： 流 过 二 极 管 的 电 流 最 大 值i= ImaxLf+ 0.5 iLf=10.608A，其平均值 I=10.608/1.57=6.76A，为保定D一定的裕量，二极管应承受的最大电流为 13.34A；二极管承受的最大反向电压为 100V，其平均值为63.7V，为保持一定的裕量，承受最大反向电压为 127.4V。开关管的选择：开关管能承受的最大电流为 13.34A，能承受的最大反向电压为 127.4V。4. 电路的仿真通过Matlab/simulink 对电路进行建模，然后根据所求参数改动器件相应参数进行仿真，并与预期目的进行比较，然后改动占空比大小，在进行仿真。(1) 首先打开Matlab/Simulink 软件，然后再点击菜单栏的“file”新建一个模型库。(2) 打开 SimPower Systems 中的 Electrical Sources 找到直流电源（DC Voltage Sources），然后加到新建的模型库中。(3) 在Elements 中找到Parallel RLC Branch，添加到新建模型库中，一共添加三个，然后分别双击此元件进行设置，分别设置成 R、L、C。(4) 在 Power Electronics 中找到二极管（Diode）和 IGBT，并添加到模型库中。(5) 在Simulink 库中找到示波器（scope）、脉冲源、Continus、电压表和电流表并添加到模型中。(6) 根据图 1 进行连线，得到仿真电路如图 4，并根据所计算的参数对相应的元器件进行参数设置。Continuouspowerguiis3L 0.6mH1iR+ ii-is2+ -iR3Diode1vs48V1g CIGBT1+ v-PulseT=0.5e-4 70%1EC6.5uFRVuR仿真时， 仿真时间设定为0.008s ， 算法选择 ode23tb（stiff/TR-BDF2）进行仿真。仿真所得输出电压波形如图 5：12010080604020000.511.522.53-3x 10仿真结果的局部放大图如图 6：10310210110099989796951.351.41.451.51.551.61.651.7由放大图可得输出电压的最大值 101V，最小值为 97V，因此可得-3x 10输出电压平均值为 99V。所得结果与预期所得结果 100V 近似，在误差允许范围内输出结果满足要求。输入电流与输出电流仿真结果如图 7 和图 8：由图可见输入电流最大值为 11.2A，最小值为 10.8A，则输入电流平均值为 11A；输出电流最大值为 5.05A，最小值为 4.85A，则输出电流平均值为4.95A， 输入电流与输出电流在误差范围内均满足要求。1211.811.611.411.21110.810.610.410.2101.11.21.31.41.51.61.7-3x 105.35.25.154.94.84.75. 结论1.51.61.71.81.92-3x 10通过对Boost 进行指定参数的仿真，得到的输出电压、输入电流和输出电压的仿真结果有一定的误差，但都在所设计的纹波电流和纹波电压所允许范围内，因此可得仿真结果与所预期的结果基本一致， 说明理论推导是正确的，电路能够实现预期的功能。误差的原因是由于在实际中二极管分压、开关管（IGBT）分流所致。6. 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.2003.2 严仰光，双向直流变换器.南京：江苏科学技术出版社.2004. 3洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 Matlab 仿真M.北京：机械工业出版社.20064曲学基，曲敬凯，于名扬.逆变技术基础及应用M.北京：机械工业出版社.2006