升压斩波电路设计与仿真

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1、1.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乂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(PowerElectronicsTechnology)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

2、节电力电子中的直流变换器(DC-DCConverter)在电力电子屮七有非常大的地位，在电力电子屮应用非常广泛。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(BuckChopper).升压斩波电路(BoostChopper)、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。1.Boost主电路拓扑和控制方式2.1Boost主电路的构成升压斩波电路(BoostChopper)的主电路原理如图1，Boost变换器是输出电压高于或等于输入电压％的直流变换器

3、，其主电路由四个元器件构成，其中电路中电感~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。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)。lLfLrD-十1十1——VA——(a)V导通(b)D续流图2Boost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

4、感电流连续工作时的工作主要波形见图3。toff图3主耍工作波形为了分析方便，在此忽略电感的寄生电阻，ii假设滤波电容足够大。t=0时刻，V导通，匕全部加在上，~增加，负载功率由么储能提供；时，么达到最大值^/min，关断V，~通过二极管D向负载流动，电源功率和电感储能一起向（^和负载R转移，C,.充电，么减小，当t=T吋，iLf二iLfmin，此后V及再次导通进入下一次循环周期导通时，设占空比为电感^的增量为Dzv,则电压方程为(2-2)(2-1)^iLf=YaT关断时，电压方程和电感电流~的减少量口/£/为(2-3)□Z".:(卜膠在电路工作稳态时

5、，在一个开关周期内，电感电流增加量应等于下降量，因此K1(2-4)(2-5)若不计变换器损耗，则-a(2-6)上式中的和分别为Boost变换器的输入电流和输出电流。流过~的电流的平均LfLfmin^Lfmax2(2-7)值为:Lfin(2-8)由于滤波电容足够人，所以流过二极管的平均电流等于输出电流，即(2-9)(2-10)流过开关管IGBT的电流的平均值为:m°-a°流过开关管和二极管电流的最大值为：•••max—^Dmax—^Lfmaxl-a(2-11)开关管和二极管截止时承受的电压等于输出电压，即输入电流脉动等于电感电流脉动，即U乙=lLf

6、min-h/min=Jf=£（＞j'汉0一汉）(2-12)(2-13)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导通期间q的放电量（2C来计算，2C=loaT,又有Qc=cfDV（＞f故得**/°Cff°(2-14)由上式可见，当占空比&接近1时，输山电压趋于无穷大1.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lOOkHZo占空比：根据式汉=1-1可得占空比&=P输岀电流（二极管电流）的

7、平均值：因为电容足够大，忽略电容电流，则=/D=—=5八。输入电流（电感电流）的平均值：1=10.4A。1一6Z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□、=（）.416A，因此电感值为Lf=^^=0.6mH。LJZ".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=20Q,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C=-=6.5。二极管的选择：流过二极管的电流最大值/niax+0.5]~=10.608A,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，

8、承受最大反向电压为127.4V。幵关管的选择.•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