Buck-Boost电力电子课程设计.doc

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1、课程设计说明书课程名称： 电力电子课程设计 设计题目： 一个 BuckBoost变换器的设计 专 业： 自动化 班 级： 自动化101 学 号： 姓 名： 林镇明 指导教师： 陆益民 广西大学电气工程学院二一二 年 十二 月课程设计任务书1 题目一个BuckBoost变换器的设计。2 任务设计一个BuckBoost变换器，已知V1=48v，V2=48v，I0=1A。要求如下：1)选取电路中的各元件参数，包括Q1、D1、L1、和C1，写出参数选取原则和计算公式；2）编写仿真文件，给出仿真结果：（1）电路各节点电压.支路流图仿真结果；（2）V2与I0的相图（即V2为X坐标；I0为Y坐标）；（3）对

2、V2与I0进行纹波分析；（4）改变R1，观察V2与I0的相图变化。3）课程设计说明书采用A4纸打印，同时上交电子版。4）课程设计需独立完成，报告内容及仿真参数不得相同。 V1=48V V2=48VI0=1AF=50kHZ指导教师评语： 指导教师： 陆益民 2012年 12 月 7 日目 录1.BuckBoost主电路的分析51.1.原理分析51.2.电路运行状态分析52.电路参数的选择82.1占空比82.2电感L82.3电容C93.控制策略的选择114.仿真分析114.1.仿真程序114.2.PSIM仿真结果分析及参数选定145.结论191. BuckBoost主电路的分析1.1. 原理分析升

3、降压斩波电路的原理图如图1所示。由可控开关Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻RL和控制电路等组成。图 1 BuckBoost电路原理图当开关管Q受控制电路的脉冲信号触发而导通时，输入直流电压V1全部加于储能电感L的两端，感应电势的极性为上正下负，二极管D反向偏置截止，储能电感L将电能变换成磁能储存起来。电流从电源的正端经Q及L流回电源的负端。经过ton时间以后，开关管Q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D正向偏置而导通，储能电感L所存储的磁能通过D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Q导通，D截止，L储能，已充电的 C向

4、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V1的极性是相反的，故也称为反相式直流交换器。1.2. 电路运行状态分析假设储能电感L足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流iL可近似认为是线性的，并设开关管Q及二极管都具有理想的开关特性。分析电路图可以得到：1 Q导通期间，D截止，电感L两端的电压为V1，iL呈线性上升。式中是Q导通前流过L的电流。当tton时，流过L的电流达到最大值：（1）2 Q截止期间，D导通，L向负载和C1供电，电感两端电压（2）式中为Q截止前流过L电流。tto

5、ff时，Q开始导通，L中电流下降到极小值：（3）3 输入直流电压U1和输出直流电压U2的关系 将(3)式代入(1)式可得： (4)(5)当tontoff时，d0.5， V2toff时，d0.5， V2V1，电路属于升压式。4 状态方程的列写实际上电路可分为Q断态和通态两个状态Q闭合： Q断开：设X1iL，X2VC则，将状态方程合并：2. 电路参数的选择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48V，输出二V2为48V，输出电流I0为1A，可初步选择：开关频率fs = 50kHzT=2.5e-5取负载电阻R1=122.1 占空比由得，V248V，V148V，故0.52.

6、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L1.3Lmin选取。根据临界电感Lmin的定义可知，当储能电感的电感量LLmin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

7、好是其峰值电流iLmax的一半。，LLmin，IL00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I L t=I0 T (7)由公式（6）（7）可得取I01A，toff（10.4615）T则故另进一步按公式: 即 -36=L1*-0.1/(2.5e-5*0.5)故可取 L14.5mH2.3 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

8、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UPP，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UPP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=10.4uF3. 控制策略的选择由于输出电压在一定范围内波动，为使输出电压稳定在一个较为理想的范围

9、内，应选择一定的控制策略来控制开关管导通时间。假设占空比为1时，输出为V2，则为使输出达到理想的VE，由得，需要将占空比改变为。（12）根据以上分析，当输入电压发生波动时，输出电压必然会随之改变，因此每隔一定时间根据输出电压变化利用公式（12）计算出新占空比，这样就能使电压继续稳定在期望值附近。由此选择的控制策略如下：首先计算出电路的时间常数，由此来确定改变占空比的频率，在每个调整点测量电路的实际输出电压，利用公式（12）计算得出新的占空比，从而调整电路输出电压。4. 仿真分析4.1. 仿真程序1定义开关管Q1导通时电感的电流和电容电压的状态方程，此时电源对电感充电，电容对电阻放电。funct

10、ion fun1.mfunction dydt=fun1(t,y)global u1 r c l;dydt=u1/l;y(2)/(-r*c);2定义开关管Q1关断时电感的电流和电容电压的状态方程，此时电感对电容放电。function fun2.mfunction dydt=fun2(t,y)global u1 r c l;dydt=y(2)/(-l);-(y(2)/(r*c)+(y(1)/c);3定义开关管Q1关断时电感的电流和电容电压的状态方程，此时电感放电结束，其电流为零，电容对电阻放电。function fun3.mfunction dydt=fun3 (t,y)global u1 r

11、c l ;dydt=0;y(2)/(-r*c);流程图开始设置初值V1，V2，R，C，L，iL，并设置初始占空比计算ton，toff计算开关管Q导通时电感的电流iL和电容的电压V2并将它们末值做为下阶段的初值计算开关管Q关断时电感的电流iL和电容电压值V2判断末值iL0计算iL0的时间，并据此将Q关断的时间toff分为toff1，toff2在toff1时间内重新计算电感的电流iL和电容的电压V2在toff2时间内重新计算电容的电压V2将iL，V2的末值做为下一阶段的初值m个周期是否算完根据输出电压V2的稳定值改变占空比n个周期是否算完输出iL，V2YNNNYY4主程序。clear;%清空内存g

12、lobal u1 r c l %设置全局变量l=1000e-6 ;%电感c=70e-6; %电容r=12;%负载电阻f=40000; %频率T=1/f; %周期 n=3;m=2000 %设置循环次数t01=zeros(m,1); t02=zeros(n,1);y10=0,0; %设定初始条件d=0.51; %设置初始占空比 u1=24+24*rand(1)%输入电压，24-48的随机数tt=,yy=for j=1:nton=T*d %计算导通时间toff=(1-d)*T %计算关断时间t02(j)=(j-1)*m*T %计算第j个循环之前经过了多长时间for i=1:m t01(i)=(i-1

13、)*T; %计算第i个循环之前经过了多少时间 t,y1=ode45(fun1,linspace(0,ton,6),y10); %计算导通时间内的电压、电流 tt=tt;t+t01(i)+t02(j);yy=yy;y1; %将计算结果记录在tt，yy两个矩阵中 y20=y1(end,:); %设置末值为下次计算的初值 t,y2=ode45(fun2,linspace(0,toff,6),y20); %计算关断时间内的电压、电流 if y2(end,1)0 %如果电流末值小于零，重新计算关断时间内的电压、电流 for a=1:length(y2) %找出iL0的点 if y2(a,1)0 b=a;

14、break, end end nn mm=size(y2); toff1=toff*(b-1.5)/(nn-1); %根据iL0的点计算toff1 toff2=toff-toff1; %根据 iL0的点toff2 t1,y21=ode45(fun2,linspace(0,toff1,6),y20); %计算toff1内的电压、电流 y21(end,1)=0; %设置末值为下次计算的初值 t2,y22=ode45(fun3,linspace(0,toff2,6),y21(end,:); %计算toff2内的电压、电流 t=t1;t2+toff1; y2=y21;y22; end y10=y2(e

15、nd,:); %设置末值为下一个循环的初值 tt=tt;t+t01(i)+t02(j)+ton; %将计算结果记录在tt，yy两个矩阵中 yy=yy;y2; %设置末值为下一个循环的初值end Vav=(y10(2)+y20(2)/2 %计算m个周期之后的输出电压值d=(36*d)/(Vav-Vav*d+36*d) %根据输出电压的稳定值改变占空比end%画图 figure(1); plot(tt,yy(:,1); title(the wave of iL); xlabel(t(s); ylabel(iL(A); figure(2); plot(tt,yy(:,2); title(the wa

16、ve of U2); xlabel(t(s); ylabel(U2(V)4.2. PSIM仿真结果分析及参数选定主电路图如图:选取V1=48v，占空比0.428选择L1000H，C10.4F，仿真结果如下：选择L2000H，C10.4F，仿真结果如下：选择L3000H，C10.4F，仿真结果如下：选择L4500H，C10.4F，仿真结果如下：可见选用较大的电感使电压较快稳定，且超调量减小，电压和电流纹波系数均减小，使电路性能变优，因此，选择L4500H。选择L2000H，C47F，仿真结果如下：选择L2000H，C70F，仿真结果如下：选择L2000H，C100F，仿真结果如下：可见选用较大的

17、电容虽然使电压纹波系数减小，但使超调量变大，输出不易稳定，因此在满足电压纹波系数要求的前提下，适当选用小电容能提高电路性能参数，因此选用C10.4F。由以上图形分析比较，我们选择参数如下：L4500H， C10.4F ， R18;选取V1=48v，占空比0.428仿真结果的稳定波形为：选取V1=24v，占空比0.6仿真结果的稳定波形为：5. 结论从以上仿真分析可知：1电容增大,会使衰减变慢且超调量变大但其稳态输出脉动变小,电容减小时, 超调量减小脉动增加, 开始的一段时间就会出现较大的振荡 ,使输出不稳定；2电感变大,会使衰减变慢但稳态时的脉动较小，增大电感可以使超调量减小.电感变小,会使脉动增加,超调量变大, 在开始一段时间做成振荡，而且稳定时还会有明显的振荡，若电感过小会导致出现增幅振荡；3电阻的小范围变化对电路的影响不是太大，但如果电阻在太大的范围改变可能也会出现较大的初始过程；4当输入电压不稳定，而要求输出电压在期望值附近时，可以通过选择合适的控制策略，改变占空比进行调节,使输出电压在比较理想的范围内。