【youcans电力电子仿真 04】Buck-Boost变换电路_buck boost.slx

【youcans电力电子仿真 04】Buck-Boost变换电路

Buck-Boost变换电路是一种常用的直流变换电路，属于非隔离型直流变换器，其输出电压既可以低于输入电压，也可高于输入电压，因此被称为升降压电路。Buck-Boost变换电路具有输入范围宽、效率高、结构简单和成本低的优点，广泛应用于数字电源、光伏发电和汽车电子。

电路原理

将Buck电路与Boost电路的拓扑结构组合在一起，去掉Buck电路中的无源开关和Boost中的有源开关，就构成如图1-12所示的Buck-Boost变换电路。

图1-12：Buck-Boost升降压变换电路原理图

主电路由开关管S、二极管D、电感L和电容C组成。当开关管S导通时，二极管D截止，电感L将电能转换为磁能储存，电容C维持输出电压基本恒定并向负载供电；当开关管S关断时，二极管D导通，电感L将磁能转换为电能释放，向负载供电并向电容C充电。注意二极管D的方向与Boost电路中相反，因此输出电压的极性是相反的。Buck-Boost变换电路的输入电流和输出电流都是脉动的，在实际应用中通常需要增加输出滤波网络。

Buck-Boost变换电路的负载电流是连续的，其稳态电压增益为：

$$M=\frac{U_o}{U_i}=\frac{D}{1-D}$$

当占空比D>0.5时，输出电压高于输入电压，是升压电路；当占空比D<0.5时，输出电压高于输入电压，是降压电路。采用PWM控制方式，保持开关频率$f_S$不变，调节占空比D就可以控制输出电压$U_o$。

根据电感电流是否连续，Buck-Boost变换电路有三种工作模式：连续模式（CCM）、断续模式（DCM）和临界模式（BCM）。电流连续的条件为：

$$\frac{I_o}{1-D_c}>\frac{(1-D_c)T_s}{2L}{U}_o$$

其中，$U_o$是输出电压，$I_o$是输出电流，L是电感值，$T_S$是开关周期，下标c表示临界值。

设计计算

设计要求：输入电压$U_i=24V$，输出电压$U_o=(1248)V$，负载电阻$R_L=12\Omega$，电压纹波系数$r_V=0.5$。
设计为连续导通模式工作。选择MOS管作为开关器件，开关频率$f_S=20kHz$。

（1）计算占空比

$$D_{cmin}=0.333$$
$$D_{cmax}=0.667$$

（2）计算电感值

$$L_c=\frac{(1-D_{cmin}{)}^2{R}_L}{2f_s}=1.33\ast 10^{-4}(H)$$
将实际电感值取为临界值的1.3倍，即：$L=1.73\ast 10^{-4}(H)。$

（3）根据电压纹波的要求，计算输出电容值
$$C_o=\frac{D_{cmax}{T}_s}{R_L\Delta U_o/U_o}=5.56\ast 10^{-4}(F)$$

为了控制输入电压纹波，可以在输入端增加滤波电容。

对Buck-Boost变换电路的设计计算，可以编写如下的Matlab程序实现。

% Design and Calculation of Buck-Boost Converter

Ui = 24;
Uomin = 12;
Uomax = 48;
RL = 12;
ripV = 0.005; % ripple coefficient of voltage
fs = 20e3;

Ts = 1/fs
Dcmin = Uomin/(Ui+Uomin)
Dcmax = Uomax/(Ui+Uomax)

Lc = RL/2* (1-Dcmin)^2* Ts  % 临界值
Co2 = Dcmax*Ts/(RL*ripV)
L = 1.3*Lc  % 实际值


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仿真模型

使用Matlab/Simulink建立Buck-Boost变换电路的开环仿真模型。
（1）新建模型：打开Matlab软件，在Simulink模型编辑界面新建“空白模型”。
（2）添加模块：依次选取所需的模块添加到模型中，并按照设计计算结果设置模块参数。
（3）搭建模型：按照电路原理图1-12连接各模块，搭建Buck-Boost电路的仿真模型。
（4）信号监测：提取和选择需要观测的信号，作为示波器的输入信号。
由于输出电压与输入电压的极性相反，为了便于比较，将输出电压反向后接入示波器。
（5）接口设置：添加电力系统的图形化用户接口powerGUI模块。
（6）模型设置：选择仿真算法为ode23tb(stiff/TR-BDF2)，仿真时间为0.02s。
按照以上步骤，建立Buck-Boost变换电路的开环仿真模型（BuckBoost01.slx），如图1-13所示。

图1-13：Buck-Boost变换电路的开环仿真模型

仿真结果

运行Buck-Boost变换电路的开环仿真模型（BuckBoost01.slx），在示波器模块可以观察所监测信号的仿真波形。当占空比D=0.333时，输出波形如图1-14所示。

子图（1）的上图比较了输出电压的设计参考值和测量值，测量值的极性进行了反向处理，下图是输出电流波形。稳态输出电压约为11.2V，低于设计值12V约6.7%。启动过程输出电压的超调量很大。

子图（2）依次显示Mosfet门极触发脉冲$U_g$、电感电流$I_L$、Mosfet电流$I_{m}os$和二极管电流$I_D$的波形曲线。电感电流连续，表明处于电流连续模式，与理论分析结果一致。

图1-14：Buck-Boost变换电路的开环仿真结果

闭环控制

为了稳定、精准地将输出电压控制到给定值，需要设计恰当的反馈控制器进行闭环控制。本例中以输出电压作为被控变量进行反馈控制，使用比例积分控制器（PI controller）。

建立Buck-Boost变换电路的闭环仿真模型（BuckBoost03CL.slx），如图1-15所示。需要注意的是，由于输出电压的极性相反，因此模型中用加法器求取给定值（绝对值）与测量值的偏差量。

Buck-Boost变换电路的闭环仿真结果如图1-16所示。子图（1）的上图比较输出电压的设计参考值（绝对值）和测量值，下图是输出电流波形，子图（2）是主要电压电流的波形。压设定值V_set阶跃变化时，测量值V_o也随之改变并收敛到设定值，超调量很小降低了对器件的冲击。输出电压的稳态值为48.1V，误差仅为0.2%，优于开环控制结果。

图1-15：Buck-Boost变换电路的闭环仿真模型

【本节完】

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