升压电路(Boost)的设计原理、参数计算及MATLAB仿真

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升压(Boost)变换电路是一种输出电压大于等于输入电压的单管非隔离直流变换电路。它由直流电压源、电感、开关管、二极管、滤波电容、负载电阻组成,升压电路图如图1所示。

在上一篇降压(Buck)变换电路中,它的拓扑结构由电压源、串联开关、和电流源负载组成。而升压变换电路是降压变换电路对偶拓扑结构,升压变换器由电流源(电压源串联较大电阻组成)、并联开关、电压源负载(并联电容)组成。通过控制开关管的占空比,进而控制输出电压的大小,升压变换电路的两个工况如图2、图3所示,分别代表开关管导通状态和开关管截止状态。 

 

升压变换电路根据电感电流是否连续,依然分成三种状态:连续导通、不连续导通、临界状态三种工作模式。为了方便分析升压电路的稳态特性,简化推导公式过程,作出如下假设:

  1. 开关管、二极管均是理想器件,即不考虑导通时的管压降、可以瞬时导通或瞬时截止,且截止时不产生漏电流。
  2. 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而没有饱和,寄生电阻为0,电容的等效串联电阻也为0。
  3. 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值很小,可以近视忽略。

一、升压变换器处于连续导通模式

1)当开关管T导通时,如图2所示。二极管D接Us负极,承受反向电压截止,电容C向负载R供电,极性上正下负,电压源全部加载到电感L两端,即uL=Us。在该电压下,电感电流线性增加,储存的磁场能量也线性增加。在一个开关管T的周期内,开关管T导通时间为ton。

开关管T导通后,电感电流增加量为

其中,D为占空比,且D=ton/Ts。

2)当开关管T截止,如图3所示。二极管承受正向电压导通,电感电流经二极管流向输出侧,电感L中的磁场将改变电感两端的电压极性,以保证电感电流不变。因此电压源Us串联电感电压uL给电容和电阻供电,负载R两端的极性仍是上正下负。电感电压uL=Us-Uo<0,电感电流线性减小。在一个周期内,开关管T截止的时间为Ts-ton。

在开关管T截止期间,电感电流的减少量为

 当稳态时,开关管导通期间电感电流的增加量等于截止期间电感电流的减少量,即

 

即Uo=Us/(1-D),因为D<0,所以1-D<1,所以输出Uo始终大于输入Us,因此该电路为升压电路。

二、升压变换器处于连续导通模式(略,大家自己可以参考书本知识)

三、升压变换器处于临界模式

升压变换器处于电感电流临界状态有,电感电流等于两倍的电源电流,即iL=2Is。变换电路的输入功率和输出功率分别为

 

假设忽略损耗,输入功率等于输出功率,可以得到 

联立等式 ,可得电感临界值

 

需说明的是,在实际应用中,电感的实际值一般取电感临界值的1.2-1.3倍。

四、纹波电压及电容的设计

在电感连续模式下,考虑二极管电流会全部流进电容器,在每一个开关管周期内,电容充电或放电的能量Q为

由Q产生的纹波电压可表示为 

 

根据纹波电压的取值,可计算电容值C为 

 

下面做两个实验验证电路设计是否准确,开关管T分别选取20KHz的MOSFET和10KHz的IGBT。

实验一、

技术指标:输入电压5V,输出电压15V,纹波电压要求0.2%Uo,负载电阻10欧,开关器件20kHz的MOSFET。

①确定占空比

②确定电感值

 

实际电感值为临界电感值的1.3倍,即

 

③根据纹波电压确定电容值

 

④搭建仿真模型 

⑤仿真结果验证 

实验二、

技术指标:输入电压12V、输出电压36V、电阻20欧,纹波电压0.2%Uo,开关器件10kHz的IGBT

①利用MATLAB计算仿真模型所用到的参数

②搭建仿真模型 

③仿真结果验证