基于PSIM软件的Buck-Boost变换器的设计与仿真

2018-12-27许亦冉

信息记录材料 2018年1期

关键词：管脚纹波控制电路

许亦冉

（华南理工大学广东广州 510461）

基于PSIM软件的Buck-Boost变换器的设计与仿真

许亦冉

（华南理工大学广东广州 510461）

Buck-Boost变换器是常见的直流-直流变换器，有着能够将直流电压转换为比输入电压大或者比输入电压小的功能。本文着重研究了如何根据电路的要求设计一个简单的Buck-Boost，并且通过PSIM仿真软件对其性能进行测试。

Buck-Boost变换器的设计；PSIM软件

1 总体方案的确定

Buck-Boost变换器的电路包括主电路、控制电路、驱动电路和保护电路。其中，主电路用于完成变换器主要功能，即对直流的升降压。控制电路用于控制电力电子开关的通断。驱动电路用于驱动电力电子开关。保护电路则是用于检测并保护各电路元件。

在这里，要求的Buck-Boost变换器的参数为：（1）开关管使用MOSFET，开关频率为18kHz；（2）输入直流电压为10.5V，输出直流电压为19.5V；（3）负载电阻为78Ω；（4）最大输出纹波电压为40mV；（5）电感电流连续。

2 主电路的设计

2.1 主电路的模态分析及设计

2.1.1 主电路原理图 Buck-Boost变换器的主电路如图1所示。主电路由MOSFET开关VT、二极管VD、储能电感L、滤波电容C和负载电阻RL组成。

图1 Buck-Boost变换器主电路

通过改变开关VT的通断可以改变电路的模态。当开关VT导通时，直流电源E的电压加在电感L两端，给电感L充电；当开关VT断开时，由于电感电流的连续性，二极管VD导通，电感L在右半部分回路中放电，给电容C充电。

电感L主要用于平波并使电流连续。电容C的作用主要是滤波，减小纹波电压。

2.1.2 主电路的模态分析

假设开关元件为理想器件，电感L和电容C都非常大。电路的状态可以分为以下两个模态，如图2所示。

图2 Buck-Boost变换器模态等效电路

（1）VT导通时

如图2（a）红色部分所示。直流电压源E给电感L充电。对于电感L有，由上式可知，流过电感L的电流在VT导通的时间段里是线性上升的。

（2）VT关断

VT关断时的等效电路如图2（b）红色部分所示。对于回路有。式中，UO为稳定输出的直流输出电压值。由于电容C非常大，故可认为该电压为一定值。

此时电感电流有

式中ton为一个周期内的导通时间。可知电感电流是线性下降的。

另外对于电容C，流过它的电流为

式中，iO是流过负载的电流。

基于上述分析，可以得到各元件的电压和电流波形图如图3所示。

图3 各元件电压、电流波形[1]

稳定时，对于电感L运用伏秒平衡原理，即

2.2 主电路的参数选取

2.2.1 电感L参数在Buck-Boost变换器中，流过电感L的电流如图3。

由图3并结合上小节公式可知，若要使电感电流连续，电感L值必须要大于某个临界值Lmin。下面推导临界值Lmin：

当Imin=0时，一个周期内的平均电流

一般在最小临界值的基础上，要保留一定的裕量。但又不宜选得过大，否则会导致整个系统上升时间较长。

2.2.2 电容C参数对于滤波电容C，它主要的功能是滤去谐波，减小纹波电压。下面就纹波电压推导电容C的最小值Cmin。

另外，对于电容C的最大电压应为输出电压与最大纹波电压一半之和，且留有一定的裕量。

2.2.3 开关管VT选取对于开关管VT主要是选取额定电压和额定电流。

由模态分析可知，额定电压应在直流电压E上留有裕量。

对于额定电流，由图3可以计算开关管的平均正向电流

额定电流可以据此留有一定裕量选取。

由2.2.1～2.2.4节的推导并结合指标，可以计算得到

考虑到5～6倍的裕量，最后我选取的各元件参数为电感L=1.5mH，电容C=1.5mF。

可以计算出开关管的正向平均电流

考虑一定的裕量选择型号为IRC530的MOSFET管，额定电流为14A。

3 控制电路和驱动电路设计

3.1 控制电路的设计

3.1.1 PWM控制技术本设计考虑使用PWM控制来产生脉冲波形。载波使用三角波，调制波选用直流电压。

假设载波的幅值和频率是一定的，则输出波形的频率与载波频率一致，输出波形的占空比α可以通过改变直流电压的大小来调整。可以得到。选择载波幅值为10V，则通过上述公式以及α=0.65可以得到Ur=-3V。

3.1.2 控制电路的实现控制电路可以依托专用PWM控制芯片SG3525实现[3]。如图4所示为SG3525的内部结构图。图中电压比较器相连部分是PWM的比较部分。通过调节管脚2所连滑动变阻器可以得到不同的直流电压。振荡器部分根据管脚5、6、7所连电容和电阻可以得到三角波的频率为。其中CT是管脚5所连电容，取0.01μF；RT是管脚6所连电阻，取5.1kΩ；RD是放电电阻，取1.65kΩ。

图4 SG3525内部结构图

管脚11和管脚14能够输出一组互补的矩形波，也就是我们所希望得到的PWM波形。通过管脚11和管脚14连接到驱动电路即可驱动开关管运行。

3.2 驱动电路的设计

经查阅资料[4]，考虑到本课程设计运用的是小功率开关设备，且并没有要求电气隔离，我设计了如图5所示的不带隔离的MOSFET推挽式驱动电路。该电路的原理相对简单，当从左边的输入端输入正脉冲时，上边的开关npn1导通，右边的输出端将输出一个大小与稳压管稳压值相同大小的电压；当左边输入端的脉冲消失时，输出端输出的电压为零。图中的参数选取：电压值大小为5V；电阻大小为1Ω，其作用是限制电流大小，防止前后两个开关管直接连通；稳压管的稳压值为20V。

图5 驱动电路图

图6 RCD型缓冲电路和di/dt抑制电路

4 保护电路设计

电力电子电路器件关断时，可能会发生过电压或者过电流的现象，可能造成自身或者其他器件的损坏。这时需要设置适当的保护电路[3]。本设计采用了缓冲电路的方式保护电力电子元件，为RCD缓冲电路和di/dt抑制电路的组合。如图6所示。

查阅了一些资料[5]，并结合仿真软件调试，最后确定的缓冲电路各元件参数为：Ri=1kΩ，Li=33μH，RS=100Ω，CS=33μF。

5 仿真过程和结果分析

5.1 PSIM电路模型搭建

本设计在PSIM软件上实现仿真。搭建的模型如图7所示。

图7 PSIM中的模型搭建

需要说明的是，由于PSIM软件没有芯片SG3525的封装，这里的控制电路直接用电压比较器、三角波和直流电压源代替，输出的也是PWM信号。各元件参数设置可以双击各元件设置。

最后得到各参数如图8标识所示。

仿真时间设为1s，步长设置为1E-006。

5.2 结果分析

5.2.1 主电路典型波形

图8 主电路输出电压波形

从主电路输出波形可以知道，输出电压值大小基本与2.1.2内容相符。仿真结果的输出电压平均值为19.50058V，与理论值19.5V的相对误差为0.003%。可以测得纹波电压的大小为9mV左右，符合设计要求。如图9所示。

图9 电感L波形

将电感的电流与电压波形与图3的理论波形比较，两者是一致的。

5.2.2 保护电路对波形的影响和负反馈在主电路中加入缓冲保护电路后的模型如图10所示。

仿真之后可以得到输出电压波形如图11（b）所示，与未加入保护电路的输出电压波形图11（a）相比，可以发现电压的上升时间缩短了，超调量也有所减小。但是，由于加入了新的电感和电容，输出电压的波形也有所下降。为了使输出电压稳定在设计要求的19.5V左右，考虑在输出电压和PWM的调制波之间加入闭环负反馈环节，控制调制波的大小，从而控制占空比大小，使得输出电压稳定在19.5V左右。