基于Boost结构的DC-DC转换器建模与仿真——毕业论文.doc

1、武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 目录 . 1 摘要 . 1 Abstract . 2 1 绪论 . 3 1.1 开关电源概论 . 3 1.2 DC-DC 转换器的基本手段和分类 . 3 1.3 DC-DC 转换器主回路使用的元件及其特性 . 4 1.3.1 开关的特性 . 4 1.3.2 电感的特性 . 4 1.3.3 电容的特性 . 4 1.4 开关电源技术的发展 . 4 1.5 论文的主要内容及章节安排 . 6 2 BOOST 转换器的基本工作原理 . 7 2.1 BOOST 转换器的电路拓扑结构及工作原理 . 7 2.1.1 电路拓扑结构 . 7 2.1.2 工作原理 . 7 2.2

2、 BOOST 转换器的工作模式分析 . 8 2.2.1 Boost 转换器电感电流连续工作模式 . 9 2.2.2 Boost 转换器电感电流断续工作模式 . 11 2.2.3 电感电流连续的临界条件 .12 2.2.4 Boost 转换器工作模式的特性比较 .13 3 BOOST 转换器的建模与仿真 .14 3.1 BOOST 转换器主电路的建模 .14 3.2 BOOST 系统的传递函数 .15 3.2.1 Boost 电路的传递函数 .15 3.2.2 PWM 比较器的传递函数 .16 3.2.3 调节器的传递函数 .17 3.3 BOOST 转换器的参数设计 .17 3.4 BOOST

3、 转换器的电路原理仿真 .18 3.4.1 建立仿真模型 .18 3.4.2 仿真结果与分析 .19 4 BOOST 转换器的控制与仿真 .21 4.1 BOOST 转换器的控制技术 .21 4.1.1 Boost 转换器的控制技术比较 .21 4.1.2 控制技术的选择 .22 4.2 BOOST 转换器的控制模式的选取 .22 4.3 BOOST 转换器的控制算法的分析 .23 武汉理工大学毕业设计（论文） 4.3.1 比例积分控制 (PI)的分析 .23 4.3.2 比例积分微分控制 (PID)的分析 .24 4.4 BOOST 转换器的控制算法仿真 .25 4.4.1 PI 控制算法的

4、仿真 .25 4.4.2 PID 控制算法的仿真 .26 4.4.3 仿真结果的比较与分析 .27 5 全文总结及展望 .28 参考文献 .29 附录 1： BOOST 转换器仿真模型 .30 附录 2： BOOST 转换器仿真波形 (输入 30V).31 附录 3： BOOST 转换器仿真波形 (输入 45V).32 致 谢 .33 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 摘要 进入 21 世纪，随着电力电子技术的迅猛发展， 使得开关电源技术在不断地创新，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 本论文主要研究的内容是开关电源的 BOOST 型DC-DC 转换器，完成其建模与仿真 。 本论文首先 就 B

5、OOST 型 DC-DC 转换器 的结构及工作原理进行了具体的阐述，并分析了转换器的两种工作模式： 电感电流连续工作模式 (CCM)和电感电流断续工作模式 (DCM)。根据设计 要求，本论文选择了 CCM 工作模式 。 此次设计利用状态空间平均法构建 BOOST转换器 的状态平均模型，得到 BOOST 转换器的传递函数 。 文中还 介绍了转换器的各种控制方法， 转换器的控制方式选择的是 目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式 PWM 控制方式，控制模式选择的是电压模式控制 ，控制器的算法选择的是 PI/PID 算法。在 matlab 中完成 BOOST 型转换器的电路以及控制算法的仿真 ，

6、根据仿真的结果来评判整个设计的效果。 仿真结果表明，电路功能和性能指标已经达到设计要求。 关键词 ： BOOST 转换器 ； CCM； 状态空间平均法 ； 电压模式控制 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 Abstract With the rapid development of electronic technology in 21st century, it makes the switch power technology in constant innovation, and it provides a wide development space for the Switch pow

7、er supply. This paper is mainly about BOOST DC-DC converter of the switch power supply, including its modeling and simulation. This thesis firstly introduced the structure and the working principle of BOOST DC-DC converter, and analyzed the two work model of convert: Continuous Current Mode (CCM) an

8、d Discontinuous Current Mode (DCM). According to the design requirements, this thesis chose the CCM work patterns. This design used the state space average method to construct the state aver- age model of BOOST converter, then get the transfer function of BOOST converter. This paper also introduced

9、various control methods. In this designment, I chose the PWM control method, the Voltage mode control technique and PI/PID algorithm for the control of the convert. At last, completing the simulation of the circuit of BOOST convert and the control algorithm , then judging the whole design effect in

10、terms of the simulation results. The simulation results show that the function of the circuit and performance index meet the design requirements. Keywords : BOOST converter； CCM； state space average method； Voltage mode control 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 1 绪论 1.1 开关电源 概论 随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备 与人们的工作、生活的关系日益密切

11、，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代 计算机电源 全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关 电源相继进入各种电子、电器设备领域， 程控交换机 、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化 、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意

12、义 1 2。 广义的说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源 (Switching Power Supply)。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可以分为四个类型： (1)直流 -直流 (DC-DC)变换器，它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件 ； (2)

13、逆变器(DC-AC)，是将直流电转化为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不问断电源 UPS 的主要部件 ； (3)整流器 (AC-DC)，是将交流电转换为直流电的电能变换器 ； (4)交流 -交流直接变频器 (AC-AC)，是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器 1。这四类变换器可以是单 向变换的，也可以是双向变换的。随着近年来人们对便携式设备的广泛应用， DC-DC 变换器作为开关电源的主要研究对象之一，已经逐渐地成为研究的热点话题。 1.2 DC-DC 转 换器的基本手段和分类 把直流电压变换为另一数值的直流电压最

14、简单办法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器 (L 或/和 C)的负载线路和直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是 DC-DC 的基本手段，类似于“斩波” (Chop)作用。 DC-DC 可分为 PWM 式、谐振式和他们的结合式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器隔离，可以分为有隔离，无隔离两类。每一类中又有六种拓扑： Buck、 Boost、Buck-Boost、 Cuk、 Sepic 和 Zeat。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 以上是从电路拓扑来分类，还有从其他角度、特征来分类的。

15、例如，若按激励形式不同，可分为自激式和他激式两种。自激式包括单管式变换器和推挽式变换器两种。他激式包括调频、调宽、调幅、谐振等几种。 目前应用较广的是调宽型 (PWM),它包括正激式、反激式、半桥式和全桥式。谐振式中有串联谐振、并联谐振、串并联谐振等线路；按谐振式 的开关什么时候接通来分，又可分为零电流开关和零电压开关等 2。 1.3 DC-DC 转 换器主回路使用的元件及其特性 1.3.1 开关 的特性 无论哪一种 DC-DC 转 换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有快速，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子

16、开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐渐普及的有IGBT 管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。 1.3.2 电感 的特性 电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理 论损耗为零。电感 常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性” 。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波 3。电感值 的 不同对纹波电流有显著影响。 1.3.3 电容 的特性 电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，

17、主要是吸收纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，形成一个等效串 联电阻 (ESR)3。这种等效串联电阻对开关电源中小信号反馈控制以及输出纹波的抑制都有着不可忽略的影响。另外电容等效电路上有一个串联的电感，有时在分析电容器的滤波效果时也是要考虑的。电容器的选择，除了考虑有效值以外还要考虑纹波电压、耐压以及温度特性的要求。 1.4 开关电源技术的发展 进入 21 世纪，半导体工艺水平的飞速发展，开关电源技术将有更为广大的发展空间。 可以预见，碳化硅将是 21 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高、通态电阻小

18、、导热性能好、漏电流极小、 PN 结 耐压高等等。 随着开关电源的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能 (如开关尖峰能量、噪声水平等 )产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组武汉理工大学毕业设计（论文） 5 交流电阻和分布电容等，在低频和高频下的表现有很大不同。对高频磁性材料有如下要求：损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注。研究将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。 或硅材料集成在铁氧体上，是一种磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。 功率因数校正 AC-DC 开关变

19、换技术 也在发展， 一般高功率因数 AC-DC 电源由两级组成：在 DC-DC 变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路。这样对于小功率开关电源说，总体功率低，成本高。 高频开关电源的电磁兼容研究 也具有很重要的意义， 高频开关电源的电磁兼容问题有特殊性。 通常，它涉及到开关过程产生的 di/dt 和 du/dt，引起强大的传导性电磁干扰和谐波干扰。同时， 开关电源内部的控制电路必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于其特殊性，专门针对开关电源的电磁兼容研究工作目前还处于起始阶段。在电 磁兼容领域，存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。如：传导干扰

20、与辐射干扰建模；开关电源电磁兼容性 (EMC)优化设计；大功率开关电源 EMC 测量方法等 4。 新型电容器 的开发同样是十分的重要。 研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容。要求电容量大、等效串联电阻小、体积小等。 数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压低达 1 1 1 8V，而电流达 50 100A。这类设备对 DC-DC 变换器模块提出的要求是：输出电压很低以提供微处理器的低逻辑电压；输出电流大以驱动其他设备；电流变化 率高；响应快等 4。 近年来，笔记本电脑、手机、数码相机、 MP3、 MP4、 PDA 等便携式设备快速发展，已经逐渐成为人们生活中所必

21、须的一部分。电源是这类设备最容易出问题的部分。新型便携式消费电子设备的功能越来越多，但同时用户又希望它的工作时间越来越长，如何提高DC-DC 芯片的效率，降低系统功耗，延长电池寿命是目前最热门的课题之一 4。同时，这类设备的尺寸体积不断减小，发展小型化轻型电源也是尤为重要。 随着开关电源设计的不断复杂化，对其进行精确仿真变得越来越困难。为仿真开关电源，首先要进行仿真建模。仿真模型 中应包括电力电子器件、变换器电路，磁元件和磁场分布模型，电路分布参数模型，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和 EMC 模型 4。各种模型差别很大，因此建模并不容易。此外，开关电源的热测试、可靠性测试等技术的开发研究

22、也是应大力发展的。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 1.5 论文的主要内容及章节安排 本论文的主要内容是设计满足要求的基于 boost 结构的 DC-DC 转换器，建立 boost 结构的 DCDC 转换器的数学模型和适当的控制模型，并对设计的电路和控制算法进行仿真，对不同的控制方法进行比较，选择最合适的控制方式。 论文全文分为五 个章节 。 第一章简要介绍了开关电源的概念和发展趋势以及 DC-DC变换器的基本手段和分类，同时给出了论文的主要内容和章节安排 。 第二章主要介绍BOOST 型 DC-DC 转换器的基本 工作 原理 ，并分析了转换器的 两种 工作模式 ： CCM 模式和 DCM

23、模式，并根据设计的具体要求选择了 CCM 工作模式 。第三章主要是根据 DC-DC变换器的原理， 利用状态空间 平均法建立 转换器的主电路 模型 ， 获得转换器的传递函数。再根据设计的技术指标，计算出电路元件的参数，在 matlab 中完成电路模型的仿真 。 第四章主要进行 BOOST 型转换器 控制方法的分析与选择 ， 转换器的控制方式选择的是 PWM控制方式，控制模式选择的是电压模式控制，控制器的算法选择的是 PI/PID 算法，最后在matlab 中对两种控制算法进行仿真比较 。 第 五 章 总结本文的主要内容并展望开关电源技术的发展前景 。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 2 BOO

24、ST 转 换器 工作 原理 分析 2.1 BOOST 转换器的 电路 拓扑结构 及工作原理 2.1.1 电路 拓扑结构 BOOST 型 DC-DC 转换器 的拓扑结构如图 2-1 所示，由可控开关 V、电感 L、电容 C、二极管 VD 和电阻负载 R 组成。 图 2-1 BOOST型 DC-DC转换器的拓扑结构 2.1.2 工作原 理 为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假设： 开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截止”，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零。 电感、电容都是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 输出电压

25、中的纹波电压和输出电压的比值小到忽略。 当可控开关 V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I1 ,同时电容C 上的电压向负载 R 供电。因 C 值很大，基本保持输出电压 uo 不变，记为 Uo 。设 V 处于通态的时间为 ton ，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 EI1ton 。 当 V 处于断态时， E 和 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 提供能量。设 V 处于断态的时间为 toff ，则在此期间电感 L 释放的能量为 (Uo-E) I1toff 。当电路工作在稳态时，一个周期 T 中电感 L 释放的能量相等，即 (2-1) 化简得 (2-2) 式中， T/t

26、off 1 ，输出电压高于电源电压，故该电路称为升压斩波电路，即 BOOST 型转换o n o ffo ff o fftt TU E Ett11()o n o ffE I t U E I t武汉理工大学毕业设计（论文） 8 器 。 2.2 BOOST 转换器的 工作模式 分析 按电感电流在周期开始时是否从零开始，可分为 电感电流连续 和 电感电流断续 两种 工作 模式 5，图 2-2(a)和 2-2(b)给出了这两种工作模式的主要波形图。 当电感电流连续时， Boost变换器存在两种开关状态，如图 2-3(a)和 2-3(b)所示；而当电感电流断续时， Boost变换器还有第三种开关状态，如图 2-3(c)所示。 图 2-2 Boost转换器的主要波形 (a) T导通， D截止。开关状态 1