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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 Buck－Boost变换器的设计专业：自动化班级：自动化101学号： 1002100246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Buck－Boost变换器的设计。

2．任务设计一个Buck－Boost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=48VV2=48VI0=1AF=50kH Z 指导教师评语：指导教师：陆益民2012年12 月7 日目录1. Buck－Boost主电路的分析 (6)1.1.原理分析 (6)1.2.电路运行状态分析 (6)2. 电路参数的选择 (9)2.1占空比α (9)2.2电感L (9)2.3电容C (10)3. 控制策略的选择 (12)4. 仿真分析 (12)4.1.仿真程序 (12)4.2.PSIM仿真结果分析及参数选定 (15)5. 结论 (20)1. Buck －Boost 主电路的分析1.1. 原理分析升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R L 和控制电路等组成。

V 1QDL CR L+-V 2I o图 1 Buck －Boost 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V 1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t on 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 R L 释放，并同时向滤波电容C 充电。

经过时间T off 后，控制脉冲又使Q 导通，D 截止，L 储能，已充电的 C 向负载R L 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V 2的极性和输入直流电压升降压斩波电路V 1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i L 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V 1，i L 呈线性上升。

1LL di u LV dt== 110L L V Vi dt t I L L==+⎰式中0L I 是Q 导通前流过L 的电流。

当t ＝t on 时，流过L 的电流达到最大值：1max 0L on L V i t I L=+………………………………………………………………………（1） [2] Q 截止期间，D 导通，L 向负载和C 1供电，电感两端电压2LL di u LV dt==- 2L V di dt L=-22max L L V V i dt t i L L ⎛⎫=-=-+ ⎪⎝⎭⎰ (2)式中max L i 为Q 截止前流过L 电流。

t ＝t off 时，Q 开始导通，L 中电流下降到极小值：20min max off L L L V I i t i L==-+……………………………………………………………（3） [3] 输入直流电压U 1和输出直流电压U 2的关系 将(3)式代入(1)式可得：12max max L on off L V Vi t t i L L=-+ 12on off V Vt t L L= …………………………………………………………………………(4) 21111on on off on t t V V V V t T t αα===--………………………………………………………(5) 当t on <t off 时，d<0.5， V 2<V 1，电路属于降压式； 当t on ＝t off 时，d ＝0.5， V 2＝V 1；当t on >t off 时，d>0.5， V 2>V 1，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：1L di V dt L dVc Vcdt RC==-⎧⎨⎩Q 断开：CL C L CV di dt L dV i R V dt CR=--=⎧⎪⎨⎪⎩设X 1＝i L ，X 2＝V C 则，将状态方程合并：12211212X X V X u L L L X X X X uC RC C∙∙⎛⎫⎪⎝⎭=-++=--⎧⎪⎨⎪⎩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=12Ω2.1 占空比α由211V V αα=-得，212V V V α=+ V 2＝48V ，V 1＝48V ， 故α＝0.52.2 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L min ，其后果会使流过储能电感的电流i L 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L ≥1.3L min 选取。

根据临界电感L min 的定义可知，当储能电感的电感量L ＝L min 时，通过储能电感的电流i L 都是从零线性增加至其峰值电流i Lmax ，而开关管截止期间，iL 却由i Lmax 下降到零。

在这种情况下，不仅i L 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i L 的平均值I L 正好是其峰值电流i Lmax 的一半。

max 12L L I i =，L ＝L min ，I L0＝0代入公式（3）得 2min2L off V I t L =………………………………………………………………………（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（t off 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 off =I 0 TL offTI I t = ……………………………………………………………………………(7) 由公式（6）（7）可得20min2off off V TI t t L = ()22min 02off V L t I T=取I 0＝1A ，t off ＝（1－0.4615）T 则()525min536 2.51010.4286 4.90104923 2.510L H H μ---⎡⎤=⨯⨯-=⨯=⎣⎦⨯⨯⨯ 故min 1.363.7L L H μ≥= 另进一步按公式:dtdi L dt di L V L 01112==- 即 -36=L1*-0.1/(2.5e-5*0.5) 故可取 L1≈4.5mH2.3 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00I i I i i L D co -==- (8)(2)式代入(8)式得2max 0co L V i i t I L=-- 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△UP －P ，即001P P co t off U i dt C -∆=⎰20max001off iL t V I t dt C L ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭⎰ ()()22max 0012L off off V i I t t C L ⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦………………………………………（9） 由于 2m a x L o f f V i t L =；()2202offt V I LT=由(19)式得到：()22012P Poff off t V U t LC T -⎛⎫∆=- ⎪⎝⎭……………………………………………………（10） 滤波电容的电容量C 0可根据给定的输出脉动电压峰峰值△UP －P 的允许值，按(10)式计算，即()()2222201122off offP PP Pt V V T C t L U T L U αα--⎛⎫=-=- ⎪∆∆⎝⎭……………………………（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:1211R V dt dV C C =- 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α1时，输出为V 2，则为使输出达到理想的V E ，由1121111;E V V V V αααα--==得，需要将占空比改变为12211E E V V V V αααα=-+。

(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。

function fun1.m function 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.m function 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。