Buck-boost变换器建模及仿真

1、Buck-boost变换器平均开关模型 

利用平均开关网络法推导buck—boost变换器的平均开关模型，Buck-boost变换器电路图如图1所示，这里开关管的导通电阻为    ，二极管的前向导通压降为0.8v。

图1  Buck-boost变换器电路

图中，虚线框内为开关网络，它是一个二端口网络，共有    、   、   和     四个变量，选定其中两个变量作为输入变量，则余下两个变量可以由输入变量表示出来。在此，我们选择    和     作为输入变量。接下来我们要求出这四个变量的在一个周期内的平均值，首先根据图1画出它们在一个周期内的波形图，如图2所示。

图2 开关网络电压电流的曲线图

根据图2，写出、、、在一个周期内平均值：

                                                                     （1）

                                                                     （2）

                                                                     （3）

                 （4）

由式（3）与（4）得  

                                                                     （5）

将公式（1）与（5）代入（3）中得

                                                                     （6）将公式（6）中两边的合并得到下面式子： 

                                                                           （7）

由（1）与（2）得

                                                                           （8）

由式（7）（8）可以得到开关网络的平均开关模型，如图3所示：

图3  平均开关模型

把图1中的开关网络用图3所示的平均开关模型代替可得到图4所示的Buck-boost变换器的开关模型电路。

图4  Buck-boost变换器的开关模型电路

2、仿真分析

利用PSIM搭建的电路模型对Buck-boost电路进行瞬态仿真，电路模型如图5所示。图中各参数为：Vg1=Vg2=15v，VSQ1幅值为5v，频率为100kHz，占空比为0.8，RL1和RL2电阻都为0.1Ω，电感都为15uH，C1=C2=50uF，R1=R2=20Ω，Ron/d(t)=0.0625Ω，变压器变比为1:4，VD=0.8v。

                                 （a）

                                 （b）

         （a）Buck-boost变换器电路     （b）Buck-boost变换器平均开关模型电路

图5  利用PSIM搭建的电路模型

仿真得到的电感电流曲线和输出电压曲线分别如图6，图7所示。

       原电路电感电流曲线

       平均开关模型电感电流曲线

图6  电感电流曲线图

       原电路输出电压曲线

       平均开关模型输出电压曲线

图7  输出电压曲线图

图6及图7分别为电感电流和输出电压的开通瞬态曲线，从图中可以看到，开关纹波在平均开关模型中消失了，但其他的性质与原电路几乎相同。平均电路模型模拟可以用来预测变换器的稳态和动态响应，也可以用来预测变换器的损耗及效率。