升壓斬波電路設(shè)計(jì)與仿真

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1、1.序言近年來，不斷進(jìn)步的計(jì)算機(jī)技術(shù)為現(xiàn)代控制技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，新的材料和結(jié)構(gòu)器件乂促進(jìn)了電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，且在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)(PowerElectronicsTechnology)是研究電能變換原理及功率變換裝置的綜合性學(xué)科，包括電壓、電流、頻率和波形變換，涉及電子學(xué)、自動(dòng)控制原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。高功率密度、高效、高可靠性、體積小、重量輕等特點(diǎn)的開關(guān)電源已在航空航天、通信、計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的核心是開關(guān)變換器，對(duì)開關(guān)變換器的建模和控制方法顯然是對(duì)電路分析設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)

2、節(jié)電力電子中的直流變換器(DC-DCConverter)在電力電子屮七有非常大的地位，在電力電子屮應(yīng)用非常廣泛。直流-直流變流電路又叫斬波電路，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路(BuckChopper).升壓斬波電路(BoostChopper)、升降壓斬波電路(Buck-Boost)、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。在這里以升壓斬波電路為例進(jìn)行分析。1.Boost主電路拓?fù)浜涂刂品绞?.1Boost主電路的構(gòu)成升壓斬波電路(BoostChopper)的主電路原理如圖1，Boost變換器是輸出電壓高于或等于輸入電壓％的直流變換器

3、，其主電路由四個(gè)元器件構(gòu)成，其中電路中電感~在輸入端稱為升壓電感。開關(guān)管V為PWM工作，其占空比不允許超過1，Boost電路工作是由于升壓電感值大小的不同，出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，但在實(shí)際應(yīng)用中主要要求電感值足夠大，使Boost電路工作在電流連續(xù)的狀態(tài)下。因此為了分析方便，現(xiàn)假設(shè)升壓感足夠大，在一個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)。電流連續(xù)時(shí)有兩個(gè)開關(guān)模態(tài)，即V導(dǎo)通時(shí)的模態(tài)1，等效電路見圖2(a);V關(guān)斷時(shí)的模態(tài)2,等效電路見圖2(b)。lLfLrD-十1十1——VA——(a)V導(dǎo)通(b)D續(xù)流圖2Boost開關(guān)模塊的等效電路2.2電感電流連續(xù)工作時(shí)的基本關(guān)系電

4、感電流連續(xù)工作時(shí)的工作主要波形見圖3。toff圖3主耍工作波形為了分析方便，在此忽略電感的寄生電阻，ii假設(shè)濾波電容足夠大。t=0時(shí)刻，V導(dǎo)通，匕全部加在上，~增加，負(fù)載功率由么儲(chǔ)能提供；時(shí)，么達(dá)到最大值^/min，關(guān)斷V，~通過二極管D向負(fù)載流動(dòng)，電源功率和電感儲(chǔ)能一起向（^和負(fù)載R轉(zhuǎn)移，C,.充電，么減小，當(dāng)t=T吋，iLf二iLfmin，此后V及再次導(dǎo)通進(jìn)入下一次循環(huán)周期導(dǎo)通時(shí)，設(shè)占空比為電感^的增量為Dzv,則電壓方程為(2-2)(2-1)^iLf=YaT關(guān)斷時(shí)，電壓方程和電感電流~的減少量口/￡/為(2-3)□Z".:(卜膠在電路工作穩(wěn)態(tài)時(shí)

5、，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流增加量應(yīng)等于下降量，因此K1(2-4)(2-5)若不計(jì)變換器損耗，則-a(2-6)上式中的和分別為Boost變換器的輸入電流和輸出電流。流過~的電流的平均LfLfmin^Lfmax2(2-7)值為:Lfin(2-8)由于濾波電容足夠人，所以流過二極管的平均電流等于輸出電流，即(2-9)(2-10)流過開關(guān)管IGBT的電流的平均值為:m°-a°流過開關(guān)管和二極管電流的最大值為：???max—^Dmax—^Lfmaxl-a(2-11)開關(guān)管和二極管截止時(shí)承受的電壓等于輸出電壓，即輸入電流脈動(dòng)等于電感電流脈動(dòng)，即U乙=lLf

6、min-h/min=Jf=￡（＞j'漢0一漢）(2-12)(2-13)因?yàn)殡娙莺艽?，因此輸出電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變化較小，則輸出電壓脈動(dòng)量可用導(dǎo)通期間q的放電量（2C來計(jì)算，2C=loaT,又有Qc=cfDV（＞f故得**/°Cff°(2-14)由上式可見，當(dāng)占空比&接近1時(shí)，輸山電壓趨于無窮大1.主電路參數(shù)計(jì)算本電路要完成的功能為：輸入電壓為48V，輸出電壓為100V,輸出功率P為500W,輸入紋波電流為輸入電流平均值的2%,輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的2%，開關(guān)頻率為lOOkHZo占空比：根據(jù)式漢=1-1可得占空比&=P輸岀電流（二極管電流）的

7、平均值：因?yàn)殡娙葑銐虼螅雎噪娙蓦娏?，則=/D=—=5八。輸入電流（電感電流）的平均值：1=10.4A。1一6Z升壓電感的選擇：根據(jù)紋波電流為輸入電流平均值的2%,可得在開關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流的增量為□、=（）.416A，因此電感值為Lf=^^=0.6mH。LJZ".濾波電容的選擇：根據(jù)輸出電壓和輸出電流可得負(fù)載電阻為R=20Q,根據(jù)輸出紋波電壓為輸出電壓平均值的2%,可得濾波電容值為C=-=6.5。二極管的選擇：流過二極管的電流最大值/niax+0.5]~=10.608A,二極管承受的最大反向電壓為100V,其平均值為63.7V,為保持一定的裕量，

8、承受最大反向電壓為127.4V。幵關(guān)管的選擇.?開關(guān)管能承受的最大電流為13.34A,能承受的最大反向電壓為