Buck-Boost电路设计

500W Buck/Boost电路设计与仿真验证

一、主电路拓扑与控制方式

Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也有开关管、二极管、电感和电容构成，如图1-1所示。与Buck和Boost电路不同的是，电感Lf在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压相反。开关管也采用PWM控制方式。Buck/Boost变换器也有电感电流连续喝断续两种工作方式，本文只讨论电感电流在连续状态下的工作模式。图1-2是电感电流连续时的主要波形。图1-3是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。电感电流连续工作时，有两种工作模态，图1-3(a)的开关管Q导通时的工作模态，图1-3(b)是开关管Q关断、D续流时的工作模态。

Vo

图1-1 主电路

V

iLF

iQ

iD

V

图1-2 电感电流连续工作波形

Vo

Vo

(a) Q导通 (b) Q关断，D续流

图1-3 Buck/Boost不同开关模态下等效电路

二、电感电流连续工作原理和基本关系

电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管Q导通和开关管Q关断两种工作模态。

在开关模态1[0~ton]：

t=0时，Q导通，电源电压Vin加载电感Lf上，电感电流线性增长，二极管D戒指，负载电流由电容Cf提供：

Lf

diLfdt

Vin

(2-1)

Io Cf

Vo

RLD

(2-2)

dVo

Io dt

(2-3)

t=ton时，电感电流增加到最大值iLmax，Q关断。在Q导通期间电感电流增加量 iL

f

iLf

在开关模态2[ton ~ T]:

Vin

DyT Lf

(2-4)

t=ton时，Q关断，D续流，电感Lf贮能转为负载功率并给电容Cf充电，iL在输出电压

f

Vo作用下下降：

Lf

iLf Cf

diLfdt

Vo

(2-5)

dVodVoVo

Io Cf

dtdtRLD

f

f

(2-6)

t=T时，iL见到最小值iLmin，在ton ~ T期间iL减小量 iL为：

f

iLf

VoV

toff o(1 Dy)T LfLf

(2-7)

此后，Q又导通，转入下一工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个

过程：第一个过程是Q开通电感Lf贮能的过程，第二个是电感能量向负载和电容Cf转移的过程。

稳态工作时，Q导通期间iLf的增长量应等于Q关断期间iLf的减小量，或作用在电感Lf上电压的伏秒面积为零，有：

DyVo

Vin1 Dy

(2-8)

由(2-8)式，若Dy=0.5，则Vo=Vin；若Dy<0.5，则Vo<Vin；反之，Dy>0.5，Vo>Vin。设变换器没有损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流平均值Io之比为

DyIi

Io1 Dy

(2-9)

开关管Q截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D截止时所承受的电压

Uce UD Vin Vo

VinV

o

1 DyDy

(2-10)

由图1-2可见，电感电流平均值iL等于Q和D导通期间流过的电流平均值IQ和ID之

f

和，即：

iLf

iLmax iLmin

2

IQ ID

(2-11)

iLf iLmax iLmin

Vin

Dy Lff

(2-12)

负载电流Io等于流过二极管D电流的平均值ID，即在t=ton ~ T期间电感电流的平均值

Io

Vo

ILf(1 Dy) RLD

(2-13)

Iin ILfDy

电感电流最大值iL

fmax

(2-14)

和最小值iL

fmin

为：

V1

iLfmax ILf iLf ILf in Dy

22LffV1

iLfmin ILf iLf ILf in Dy

22Lff

开关管Q和二极管D电流的最大值iQmax、iDmax等于电感电流最大值iL

fmax

(2-15)

(2-16)

IV1

iQmax iDmax iLfmax ILf iLf o o(1 Dy) (2-17)

21 Dy2Lff

Q导通期间，电容Cf电压的变化量即输出电压脉动 Vo由Q导通期间Cf放电量

QCf IoDyT计算，因QCf Cf Vo，故

Vo

IoDyCff

(2-18)

三、实验参数计算

Buck/Boost变换器设计指标为：(1) 输入电压Vin：直流100V; (2) 输出电压Vo：直流48V; (3) 输出功率Po：500W 。 （48.5152+47.4988）/2=48.0070

设定IGBT的开关频率f为100kHz，电感电流纹波 iL为电感电流平均值IL的5%，

ff

输出电压纹波 Vo为输出电压Vo的2%。

输出端电阻为：

RLD

输出端电流为：

Vo2

4.608 Po

Io

Vo

10.42A （10.5468+10.3258）/2=10.4363 RLD

由式(2-8)得占空比为：

Dy

由式(2-9)得输入电流为：

Vo

0.324 0.3266

Vo Vin

Iin Io

Dy1 Dy

5.0A

由式(2-10)得开关管Q截止时承受电压，二极管D截止时承受电压为：

Uce

由式(2-14)得电感电流平均值为：

Vo

148V Dy

ILf

Iin

15.42A （16.501+15.7229）/2= 16.112 Dy

电感电流和输出电压纹波分别为：

iLf 5% ILf 0.77A 0.7781

Vo 2% Vo 0.96V 48.5152-47.4988=1.0164

由式(2-15)和(2-16)得电感电流最大值和最小值分别为：

1

iLfmax ILf iLf 15.80A 16.5019

21

iLfmin ILf iLf 15.03A 15.7229

2

由式(2-17)得通过开关管Q和二极管D的电流最大值为：

1

iQmax iDmax iLfmax ILf iLf 15.80A 16.5019

2

由式(2-12)得电感大小为：

Lf

由式(2-18)得电容大小为：

Vin Dy iLf f

0.42mH

Cf

Io Dy Vo f

35.19 F 36

四、实验器件的选择

开关管Q：开关频率100kHz，截止时承受电压148V，流过最大电流16.50A。 二极管D：截止时承受电压148V，流过最大电流16.50A。 电感Lf：大小0.42mH，流过电流最大值16.50A。 电容Cf：大小36 F，承受电压最大值48.52V。 电阻RLD：大小4.6 。

五、simulink仿真电路