Buck-Boost变换器要点

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)

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

R

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。

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。

t

t

t

t

t

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。

图1-2 Buck/Boost 变换器工作波形

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：

E dt

di

L

= (2-1) R U I o o

= (2-2)

o o

I dt dU C = (2-3) t=t on 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Δi L 为

T L

E

i L α=

∆ (2-4) t=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

，i L 在输出电压U o 的作用下下降：

o L U dt di

L = （2-5）

R

U dt dU C I dt dU C i o

o o o L +

=+= （2-6） t=T 时，i L 减小到最小值i Lmin ，在t on ~T 期间i L 的减小量为Δi L 为

T L U t L U i o off o L )1(α-==∆ （2-7）

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i L 增长量应等于V 关断期间i L 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

α

α-=1E U o （2-8） 由式（2-8）知，若α=0.5，则U o =E ；若α<0.5，则U o 0.5，则U o >E 。若不计变压器损耗，则输入电流平均值I i 和输出电流的平均值I o 之比为

α

α-1o i =I I （2-9） 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

ααo

o ce -1U E

U E U U VD ==

+== （2-10）

由图1-2可见，电感电流平均值I L 等于V 和VD 导通期间流过的电流平均值I V 和I VD 之和，即

VD V L L L I I I +=+=

2

i i min

max （2-11） α

f i i i min max L E

L L L =-=∆ （2-12）

电感电流最大值i Lmax 和最小值i Lmin 分别为

αf 2i 21i max L E I I L L L L +=∆+= （2-13）

αf

2i 21i min L E

I I L L L L -=∆-= (2-14)

负载电流I o 等于流过二极管VD 电流的平均值I VD ，即在t=t on ～T 期间，电感电流的平均值为

）（α-==

1o

o L I R U I (2-15)

αL I I =i (2-16) 开关管V 和二极管VD 电流的最大值i Vmax 、i VDmax 等于电感电流的最大值i Lmax

）（αα-+-=∆+===1f

21i 21

i i i o o max max max L U I I L

L L VD V (2-17) 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Q C =I o αT 计算，因Q C =C·ΔU o ，故

f

o o C I U α

=∆ （2-18）