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。