升压斩波电路设计与仿真

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又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（Power Electronics Technology）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节电力电子中的直流变换器（DC-DC Converter）在电力电子中占有非常大的地位，在电力电子中应用非常广泛。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（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、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。

2.Boost主电路拓扑和控制方式

2.1 Boost主电路的构成

升压斩波电路（Boost Chopper）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，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。

   图1 Boost电路工作原理图

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）。

 （a）V导通                    （b）D续流

                  图2 Boost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

电感电流连续工作时的工作主要波形见图3。

图3 主要工作波形

为了分析方便，在此忽略电感的寄生电阻，且假设滤波电容足够大。

t=0时刻，V导通，全部加在上，增加，负载功率由储能提供；t=时，达到最大值，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，充电，减小，当t=T时，=，此后V及再次导通进入下一次循环周期。

V导通时，设占空比为，电感的增量为，则电压方程为

                                                       （2-1）

                                                         （2-2）

    V关断时，电压方程和电感电流的减少量为：

                                                    （2-3）

                                               （2-4）

在电路工作稳态时，在一个开关周期内，电感电流增加量应

等于下降量，因此

                                                         （2-5）

若不计变换器损耗，则

                                                         （2-6）

上式中的和分别为Boost变换器的输入电流和输出电流。流过的电流的平均值为：

                                                   （2-7）

                                                           （2-8）

由于滤波电容足够大，所以流过二极管的平均电流等于输出电流，即

                                                       （2-9）

流过开关管IGBT的电流的平均值为：

                                       （2-10）

流过开关管和二极管电流的最大值为：

                                （2-11）

开关管和二极管截止时承受的电压等于输出电压，即

                                                      （2-12）

输入电流脉动等于电感电流脉动，即

                               （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V导通期间的放电量来计算，，又有，故得

                                                    （2-14）

由上式可见，当占空比接近1时，输出电压趋于无穷大。

3.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100kHZ。

占空比：根据式可得占空比。

输出电流（二极管电流）的平均值：因为电容足够大，忽略电容电流，则=5A。

输入电流（电感电流）的平均值：。

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=0.416A，因此电感值为

=0.6mH。 

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=20，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

=6.5。

二极管的选择：流过二极管的电流最大值=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，承受最大反向电压为127.4V。

开关管的选择：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127.4V。 

4.电路的仿真

通过Matlab/simulink对电路进行建模，然后根据所求参数改动器件相应参数进行仿真，并与预期目的进行比较，然后改动占空比大小，在进行仿真。

(1)首先打开Matlab/Simulink软件，然后再点击菜单栏的“file”新建一个模型库。

(2)打开SimPower Systems中的Electrical Sources找到直流电源（DC Voltage Sources），然后加到新建的模型库中。

(3)在Elements中找到Parallel RLC Branch，添加到新建模型库中，一共添加三个，然后分别双击此元件进行设置，分别设置成R、L、C。

(4)在Power Electronics中找到二极管（Diode）和IGBT，并添加到模型库中。

(5)在Simulink库中找到示波器（scope）、脉冲源、Continus、电压表和电流表并添加到模型中。

(6)根据图1进行连线，得到仿真电路如图4，并根据所计算的参数对相应的元器件进行参数设置。

仿真时，仿真时间设定为0.008s，算法选择ode23tb（stiff/TR-BDF2）进行仿真。仿真所得输出电压波形如图5：

仿真结果的局部放大图如图6：

由放大图可得输出电压的最大值101V，最小值为97V，因此可得输出电压平均值为99V。所得结果与预期所得结果100V近似，在误差允许范围内输出结果满足要求。

输入电流与输出电流仿真结果如图7和图8：

图7：输入电流仿真图

图8：输出电流仿真图

由图可见输入电流最大值为11.2A，最小值为10.8A，则输入电流平均值为11A；输出电流最大值为5.05A，最小值为4.85A，则输出电流平均值为4.95A，输入电流与输出电流在误差范围内均满足要求。

5.结论

通过对Boost进行指定参数的仿真，得到的输出电压、输入电流和输出电压的仿真结果有一定的误差，但都在所设计的纹波电流和纹波电压所允许范围内，因此可得仿真结果与所预期的结果基本一致，说明理论推导是正确的，电路能够实现预期的功能。误差的原因是由于在实际中二极管分压、开关管（IGBT）分流所致。

6.心得体会

通过这一次的课程设计，我对电力电子中升压斩波电路的相关知识有了深刻的认识、对电力电子器件有了大致的了解，同时加深了对整流、触发电路等知识的了解和掌握，对以上内容有了更深刻的认识，有效地将书本知识用于实际。

电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。使我们能综合运用相关关课程的基本知识，通过本课程设计，培养了我们思考能力，学会和认识查阅和占有技术资料的重要性，了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计。通过设计过程学习和管理，树立正确的设计思想和严谨的工作作风，提高我们的设计能力。

这次课程设计带给我的，不全是通过几项工作所要求我们锻炼的几种能力，更多的则需要我们每个人在课程设计结束后根据自己的情况去感悟，去反思，勤时自勉，有所收获，使这次课程设计达到了真正目的。课程设计是大学里必不可少的一项内容，一直以来，我们作为学生，只是一味地获取知识，真正实践的机会少之又少。我觉得课程设计具有重大的意义，它提供我们实践的机会，通过实践，可以了解自己的不足，在以后的学习中，可以有侧重地弥补某些方面的不足。 总之，这次实践是有收获的，感受颇深的一点是，理论学习是业务实践的基础，但实践与理论的阐述又是多么的不同，在学习的闲暇之间，一定要实际运用理论知识，在实践中验证知识，发现知识。此次课程设计，愉快而难忘，虽然结束，但学习与实践永不会结束。

7.参考文献

[1] 王兆安，刘进军，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社.2003.

[2]严仰光，双向直流变换器.南京：江苏科学技术出版社.2004.

[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真[M].北京：机械工业出版社.2006

[4]曲学基，曲敬凯，于名扬.逆变技术基础及应用[M].北京：机械工业出版社.2006

[5]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：电力工业出版社.2005