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升压斩波电路设计与仿真

1.序言

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

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