BuckBoost电力电子课程设计.docx
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BuckBoost电力电子课程设计
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=48V
V2=48V
I0=1A
F=50kHZ
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5
1.1.原理分析5
1.2.电路运行状态分析5
2.电路参数的选择8
2.1占空比α8
2.2电感L8
2.3电容C9
3.控制策略的选择11
4.仿真分析11
4.1.仿真程序11
4.2.PSIM仿真结果分析及参数选定14
5.结论19
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RL和控制电路等组成。
图1Buck-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V1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ton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RL释放,并同时向滤波电容C充电。
经过时间Toff后,控制脉冲又使Q导通,D截止,L储能,已充电的C向负载RL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V2的极性和输入直流电压升降压斩波电路V1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iL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V1,il呈线性上升。
式中
是Q导通前流过L的电流。
当t=ton时,流过L的电流达到最大值:
………………………………………………………………………
(1)
[2]Q截止期间,D导通,L向负载和C1供电,电感两端电压
…………………………………………………………
(2)
式中
为Q截止前流过L电流。
t=toff时,Q开始导通,L中电流下降到极小值:
……………………………………………………………(3)
[3]输入直流电压U1和输出直流电压U2的关系
将(3)式代入
(1)式可得:
…………………………………………………………………………(4)
………………………………………………………(5)
当ton 当ton=toff时,d=0.5,V2=V1; 当ton>toff时,d>0.5,V2>V1,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: Q断开: 设X1=iL,X2=VC则,将状态方程合并: 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=12Ω 2.1占空比α 由 得, V2=48V,V1=48V, 故α=0.5 2.2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Lmin,其后果会使流过储能电感的电流iL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≥1.3Lmin选取。 根据临界电感Lmin的定义可知,当储能电感的电感量L=Lmin时,通过储能电感的电流iL都是从零线性增加至其峰值电流iLmax,而开关管截止期间,iL却由iLmax下降到零。 在这种情况下,不仅iL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iL的平均值IL正好是其峰值电流iLmax的一半。 ,L=Lmin,IL0=0代入公式(3)得 ………………………………………………………………………(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(toff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 ILt =I0T ……………………………………………………………………………(7) 由公式(6)(7)可得 取I0=1A,toff=(1-0.4615)T 则 故 另进一步按公式: 即-36=L1*-0.1/(2.5e-5*0.5) 故可取L1≈4.5mH 2.3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 ………………………………………………………………(8) (2)式代入(8)式得 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 ………………………………………(9) 由于 ; 由(19)式得到: ……………………………………………………(10) 滤波电容的电容量C0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 ……………………………(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: 即36/36=C1*3.6/(2.5e-5*0.5) 确定C1=10.4uF 3.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V2,则为使输出达到理想的VE,由 得,需要将占空比改变为 。 ………(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。 functionfun1.m functiondydt=fun1(t,y) globalu1rcl; 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。 functionfun2.m functiondydt=fun2(t,y) globalu1rcl; 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。 functionfun3.m functiondydt=fun3(t,y) globalu1rcl; dydt=[0;y (2)/(-r*c)]; 流程图 4.主程序。 clear;%清空内存 globalu1rcl%设置全局变量 l=1000e-6;%电感 c=70e-6;%电容 r=12;%负载电阻 f=40000;%频率 T=1/f;%周期 n=3;m=2000%设置循环次数 t01=zeros(m,1); t02=zeros(n,1); y10=[0,0];%设定初始条件 d=0.51;%设置初始占空比 u1=24+24*rand (1)%输入电压,24-48的随机数 tt=[],yy=[] forj=1: n ton=T*d%计算导通时间 toff=(1-d)*T%计算关断时间 t02(j)=(j-1)*m*T%计算第j个循环之前经过了多长时间 fori=1: m t01(i)=(i-1)*T;%计算第i个循环之前经过了多少时间 [t,y1]=ode45('fun1',linspace(0,ton,6),y10);%计算导通时间内的电压、电流 tt=[tt;t+t01(i)+t02(j)];yy=[yy;y1];%将计算结果记录在tt,yy两个矩阵中 y20=y1(end,: );%设置末值为下次计算的初值 [t,y2]=ode45('fun2',linspace(0,toff,6),y20);%计算关断时间内的电压、电流 ify2(end,1)<0%如果电流末值小于零,重新计算关断时间内的电压、电流 fora=1: length(y2)%找出iL=0的点 ify2(a,1)<0 b=a;break, end end [nnmm]=size(y2); toff1=toff*((b-1.5)/(nn-1));%根据iL=0的点计算toff1 toff2=toff-toff1;%根据iL=0的点toff2 [t1,y21]=ode45('fun2',linspace(0,toff1,6),y20);%计算toff1内的电压、电流 y21(end,1)=0;%设置末值为下次计算的初值 [t2,y22]=ode45('fun3',linspace(0,toff2,6),y21(end,: ));%计算toff2内的电压、电流 t=[t1;t2+toff1]; y2=[y21;y22]; end y10=y2(end,: );%设置末值为下一个循环的初值 tt=[tt;t+t01(i)+t02(j)+ton];%将计算结果记录在tt,yy两个矩阵中 yy=[yy;y2];%设置末值为下一个循环的初值 end Vav=(y10 (2)+y20 (2))/2%计算m个周期之后的输出电压值 d=(36*d)/(Vav-Vav*d+36*d)%根据输出电压的稳定值改变占空比 end %画图 figure (1); plot(tt,yy(: 1)); title('thewaveofiL'); xlabel('t(s)'); ylabel('iL(A)'); figure (2); plot(tt,yy(: 2)); title('thewaveofU2'); xlabel('t(s)'); ylabel('U2(V)') 4.2.PSIM仿真结果分析及参数选定 主电路图如图: 选取V1=48v,占空比α=0.428 选择L=1000μH,C=10.4μF,仿真结果如下: 选择L=2000μH,C=10.4μF,仿真结果如下: 选择L=3000μH,C=10.4μF,仿真结果如下: 选择L=4500μH,C=10.4μF,仿真结果如下: 可见选用较大的电感使电压较快稳定,且超调量减小,电压和电流纹波系数均减小,使电路性能变优,因此,选择L=4500μH。 选择L=2000μH,C=47μF,仿真结果如下: 选择L=2000μH,C=70μF,仿真结果如下: 选择L=2000μH,C=100μF,仿真结果如下: 可见选用较大的电容虽然使电压纹波系数减小,但使超调量变大,输出不易稳定,因此在满足电压纹波系数要求的前提下,适当选用小电容能提高电路性能参数,因此选用C=10.4μF。 由以上图形分析比较,我们选择参数如下: L=4500 H,C=10.4 F,R=18Ω; 选取V1=48v,占空比α=0.428 仿真结果的稳定波形为: 选取V1=24v,占空比α=0.6 仿真结果的稳定波形为: 5.结论 从以上仿真分析可知: 1.电容增大,会使衰减变慢且超调量变大但其稳态输出脉动变小,电容减小时,超调量减小脉动增加,开始的一段时间就会出现较大的振荡,使输出不稳定; 2.电感变大,会使衰减变慢但稳态时的脉动较小,增大电感可以使超调量减小.电感变小,会使脉动增加,超调量变大,在开始一段时间做成振荡,而且稳定时还会有明显的振荡,若电感过小会导致出现增幅振荡; 3.电阻的小范围变化对电路的影响不是太大,但如果电阻在太大的范围改变可能也会出现较大的初始过程; 4.当输入电压不稳定,而要求输出电压在期望值附近时,可以通过选择合适的控制策略,改变占空比进行调节,使输出电压在比较理想的范围内。
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- BuckBoost 电力 电子 课程设计