Boost变换器原理.docx
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Boost变换器原理
由IGBT组成的升压变换器的建模及应用仿真
摘要:
根据电力电子技术的原理,升压式变换器的输出电压
高于输入电源电压
,控制开关与负载并联连接,与负载并联的滤波电容必须足够大,以保证输出电压恒定,储能电感也要很大,以保证向负载提供足够的能量。
在设计中,采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关管,它既具有输入阻抗高,速度快,热稳定性好,驱动电路简单,又具有通态电压低,耐压高,流通大电流等优点。
关键词:
升压变换器IGBTMatlab建模
一、设计容
1.设计原理
图1升压变换器电路图
图1是升压变换器的电路图,其中
为输入直流电源,S为开关管(在本设计中使用IGBT作为开关管),在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态。
当开关管S导通,输入电流流经电感L和开关管S,开关管两端的电压降为零,电感两端产生电压降,电感电流开始线性增长,电感开始储存能量,此时二级管VD处于关断状态。
当开关管S截止,由于电感电流的连续性,电感L的线圈产生的磁场将改变线圈两端的极性,以保持电感电流不变,因此电感电压在这一时段出现负电压,此电压是由线圈的磁能转化而成的,它与电源
串联,以高于
的电压向电路的后级供电,使电路产生了升压作用。
此时,电感向后级释放能量,电感电流不断减小,电感电流通过二极管VD到达输出端后,一部分为输出提供能量,一部分为电容充电。
这是升压变换器的一个工作周期,此后变换器重复上述过程工作至稳态过程。
2.输出电压与输入电压的关系
若开关管导通时间
,关断时间
开关工作周期
。
定义占空比为:
升压比为:
。
理论上电感储能与释放能量相等,所以当电感电流连续时,输出电压:
3.参数设置
(1)电源电压设置为直流24V;
(2)储能电感设置为3.6E-4H;
(3)RC负载设置:
R为24Ω;C为5.4E-5F;
(4)脉冲信号发生器设置:
Pulsetype、Time(t)、Amplitude、Phasedelay(secs)均采用默认设置,Period(secs)设置为25e-6,PulseWidth(﹪ofPeriod)设置为20。
(5)二极管,IGBT,电压、电流测量量均采用默认值。
4.仿真目的
(1)观察占空比变化对输出电压的影响。
更改脉冲发生器中的周期参数,在占空比为20%,40%,60%,80%时,观察波形,估计输出电压的值。
(2)观察开关频率变化对输出电压纹波的影响。
占空比恢复为40%,将脉冲发生器输出驱动信号的频率改为原来的一半(20KHz)和二倍(80KHz),观测并估计两种条件下电压纹波的大小。
(3)观察滤波参数变化对输出电压纹波的影响。
将脉冲发生器输出驱动信号的频率恢复为40KHz,将滤波电容值改为原来的一半和二倍,观测并估计两种条件下电压纹波的大小。
(4)观察负载阻值变化对输出电压纹波的影响。
将滤波电容值恢复为5.4E-5F,将负载阻值改为原来的一半和二倍,观测两种条件下电压纹波的变化并估计其大小。
结合仿真结果说明开关频率、滤波参数以及负载大小的变化对输出电压纹波的影响,并用输出电压纹波的公式验证仿真结果。
二、Matlab的建模及仿真
1.仿真电路
仿真模型图如图2所示:
图2升压变换器建模图
Simulink仿真模型图中电压源为24V直流电压;L为升压电感;Diode为电力二极管,单向导通,阻止电流反向流动;C为滤波电容;IGBT为斩波器件,R为负载。
其中IL用来测量流经L的电流;ID用来测量二极管电流;
用来测量负载电压;IGBTcurrent为流经IGBT的电流;Scope为示波器;PulseGenerator为PWM脉冲发生器,调节其占空比就可以控制输出电压的大小。
2.仿真波形
(1)占空比为20%,40%,60%,80%时,输出电压的波形分别如图3、图4、图5、图6所示。
(2)占空比为40%,开关频率为20KHz和80KHz时,输出电压的波形如图7、图8所示,并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。
(3)将脉冲发生器的开关频率设为40KHz,将滤波电容值改为2.7E-5F和10.8E-5F,输出电压的波形如图9、图10所示,并观察这两种条件下输出电压纹波的变化。
(4)将滤波电容值恢复为5.4E-5F,将负载阻值改为12
和48
,输出电压的波形如图11、图12所示,并观测这两种条件下电压纹波的变化。
图3f=40KHz,D=0.2时
图4f=40KHz,D=0.4时
图5f=40KHz,D=0.6时
图6f=40KHz,D=0.8时
图7f=20KHz,D=0.4时
图8f=80KHz,D=0.4时
图9f=40KHz,,D=0.4,C=2.7E-5F时
图10f=40KHz,D=0.4,C=10.8E-5F时
图11f=40KHz,D=0.4,C=5.4E-5F,R=12
时
图12f=40KHz,D=0.4,C=5.4E-5F,R=48
时
通过观察、对比以上仿真波形图可得以下结论:
(1)由图3、图4、图5、图6可知,随着占空比的不断增大,输出电压的值也随之不断增大,该现象可由式子
得到。
(2)由图7、图8可知,其他参数不变,当开关频率减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当开关频率增大为原来的二倍时,输出电压的波动变小。
(3)由图9、图10可知,其他参数不变,当滤波电容值减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当滤波电容值增大为原来的2倍时,输出电压的波动变小。
(4)由图11、图12可知,其他参数不变,当负载阻值减小为原来的一半时,输出电压的波动变大;而当负载阻值增大为原来的2倍时,输出电压的波动变小。
以上结论
(2)、(3)、(4)的现象可由式子
推出,由该式可看出,输出电压的纹波与滤波电容、开关频率、负载阻值成反比,于是,当C、F、R的值增大时,输出电压的纹波都变小。
三、总结
通过本次设计,对于具有自关断能力的GTO、MOSFET、IGBT全控型器件组成的变换器有了一定的了解和认识,熟悉了Matlab的建模过程。
使用Matlab仿真摆脱了常规的分析方法,更加快捷和方便,能够直观的反映出电路的情况,对电路的研究更实用和方便。
在分析电路时可以修改电路中器件的参数来修改电路,也可以随意地改变电路的结构,而在实际应用中需要重新更换器件和结构,浪费时间和金钱,使用Matlab仿真省去了繁琐的工作,在电路分析比较中的优越性更明显。