电力电子仿真作业

升压(Boost)变换器的MATLAB仿真

摘要

伴随着高速的电力电子技术的发展，电力电子器件的种类及设备越来越多，其应用领域也越来越广泛，电子器件设备正向着小型化发展，这也直接导致了电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小、重量轻和效率高等优点在电子设备中有着广泛的应用，因此，人们对于开关电源的研究也在不断的向前发展，并向着低电压，大电流和高效率方向发展。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC变换器。

直流-直流(DC-DC)变换器，能将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源。一般按照电路拓扑的不同，DC-DC变换器分为不带隔离变压器的DC-DC变换器和带隔离变压器的DC-DC变换器。不带隔离变压器的DC-DC 变换器主要分为降压(Buck)变换器、升压(Boost)变换器、升降压(Suck-Boost)变换器、丘克(Cuk)变换器。其中Buck电路和Boost电路是DC-DC变换器最基本的两种拓扑形式。DC-DC变换器的基本手段都是通过开关器件的通断，使带有滤波器的负载线路与直流电源一会儿接通，一会儿断开，在负载上得到另一个等级的直流电压。

本仿真着重介绍Boost变换器的原理，并进行MATLAB/SIMULINK仿真分析。

关键词：开关电源；DC/DC;升压（boost）变换器；

1.升压(Boost)变换器的电路拓扑及其分析

图1-1 Boost 变换器电路拓扑

升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换器。通过控制开关管T 的导通比，可控制升压变换器的输出电压。

根据电感电流是否连续，升压变换器可以分为连续导电状态、不连续导电状态及临界状态三种工作模式。 （1）Boost 变换器电感电流连续模式

当开关管T 导通时，二极管阳极接Us 负极，承受反压而截止。电容C 向负载R 供电，极性上正下负。电源电压Us 全部加到电感两端U L =Us ，在该电压作用下电感电流i L 线性增长，储存的磁场能量也逐渐增加。在一个开关周期Ts 内开关管T 导通的时间为t on 。当T 截止时，i L 经二极管D 流向输出侧，电感L 中的磁场将改变L 两端的电压极性，以保持i L 不变，这样电源电压Us 与电感电压U L 串联给C 和R 供电，负载R 端电压U 0仍然是上正下负。电感上的电压为Us- U 0<0，电感电流i L 线性减小。在一个周期T S 内开关管T 断开的时间为Ts-t on 。到TS 时刻，i L 达到最小值i L2。最后推出电压增益公式

101U M U D S

C

=

=

-

D C 是占空比。由公式可知，Dc 是一个小于1的数，输出电压与输入电压的比值始终大于等于l ，即输出电压高于输入电压。 （2）Boost 变换器电感电流断续模式

T 导通时，与电感电流连续模式下的工作情况相同，T 关断，电感中电流i L 线性衰减，直到t 2时刻下降到零。

经推理，Boost 变换器电感电流临界连续条件为

2

(1)2

R L D D T C S C C =

-

纹波电压△U 0及电容设计，

00U D T C S U RC

∆=

从而有

00

U D T C S C R U =

∆

2. 升压(Boost)变换器电路的参数选择

将一个输入电压为3-6V 的不稳定电源升压到稳定的15V ，纹波电压低于0.2%，负载电阻l 0Ω，开关管选择MOSFET ，开关频率为40kHz ，要求设计电感电流连续与不连续两种情况。设计仿真参数、搭建仿真模型并分析结果。 （1）确定占空比调节范围：

1510,0.6min 61min

U D C U D S C =

=

=-

1510,0.8max 3

1max

U D C U D S

C ==

=-

（2）确定电感值：

2

1010.6(10.6)12240000

2

(1)min min 2

μH R L D D T C S C C =⨯⨯-⨯==

-

实际电感值可取临界值的1.2倍，因此L 取15μH 。

（3）确定电容值：

150.8

0max 1100.0021540000

U D T C S

C mF R U ⨯=

=

=∆⨯⨯⨯

实际中所取电容值应该有一个裕量，在本次仿真中不取裕量，直接取电容为1mF 。

3. 升压(Boost)变换器的matlab仿真模型

其中，直流电压设计为6v，电容设为1mF。

电阻设为10Ω，选择“Branch voltage”，电感设为15μH，选择“Branch voltage and current”：

Mosfet的二极管的导通压降〔Forward V oltage(V) ]改为0，导通电阻(Resistance Ron)设置为很小，比如0.00000001，勾选“Show measurement port”。

二极管的参数同上：

Multimeter中添加电感电流与电感电压，以及电阻电压，Scope设置为6个输入通道。

Bus Selector设置为测试各自的电流。

Pulse Generator中Period（secs）设置为25e-6，Pulse Width(% of period)设置为60。

Mean Value中Averaging periods设置为20e-6，并且选取Display