2023年8月2日发(作者：)

电力传动与控制课程设计任务书

2017－2018学年 第一学期 第12周－14周

题目 Buck/Boost电路的开关损耗分析

内容及要求：

Buck/Boost电路的开关损耗分析。

进度安排

1、电路分析

2、电路设计

3、实验、仿真

4、实验分析

学生姓名：孔剑、刘隆鑫、刘星

指导时间：11.10-11.30 指导地点： f 楼

308室

任务下达

考核1.评阅 □ 2.答辩 □ 3.实际操作 □ 4.其它 □

方式

指导李俊

教师

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

系（部）主任 王长坤

2017年11月10日 任务完成 2017年11月30日 目录

1、概述 ........................................ 2

2 主电路拓扑和控制方式 ........................ 3

2.1 Buck/Boost主电路的构成 ................. 3

2.2 电感电流连续时的工作原理及基本关系 ...... 4

3、 主电路参数的计算 ............................. 7

4、 MATLAB仿真 ................................... 8

5、Buck/Boost电路的开关损耗分析 .................. 9

6、结论 .......................................... 9

7、心得 ......................................... 10

1 1、概述

直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。

2 2 主电路拓扑和控制方式

2.1 Buck/Boost主电路的构成

Buck/Boost变换器的主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。与Buck和Boost不同的是电感L在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压极性相反。开关管也采用PWM控制方式。Buck/Boost变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。

图1 Buck/Boost主电路结构图

电流连续时有两个开关模态，即V导通时的模态1，等效电路见图2（a）；V关断时的模态2，等效电路见图2（b）

（a）V导通

3 （b）V关断，VD续流

图2 Buck/Boost不同模态等效电路

2.2 电感电流连续时的工作原理及基本关系

电感电流连续工作时的工作主要波形见图3。

4 图3电感电流连续时的主要波形

为了方便分析，假设电感、电容的值足够大，并且忽略电感的寄生电容。 电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有V导通和V关断两种工作模态。 在模态1[0～ton]：

t=0时，V导通，电源电压E加在电感L上，电感电流线性增长，二极管VD截止，负载电流有电容C提供：

t=ton时，电感电流增大到最大值iLmax，V关断。在V导通期间电感电流增加量ΔiL为

在模态2[ton～T]：

t=ton时，V关断，VD续流，电感L储存的能量转换为负载功率并给电容C充电 ，iL在输出电压Uo的作用下下降：

t=T时，iL减小到最小值iLmin，在ton~T期间iL的减小量为ΔiL为

5 此后，V又导通，转入下一个工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个过程：第一个是V开通L储存能量的过程，第二个是电感能量向负载和电容C转移的过程。

稳态工作时，V导通期间iL增长量应等于V关断期间iL的减少量，或一个工作周期内作用在电感L上电压的伏秒面积为零，有

（2-1）

由式（2-1）知，若α=0.5，则Uo=E；若α<0.5，则Uo0.5，则Uo>E。若不计变压器损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流的平均值Io之比为

（2-2）

开关管V截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压与输出电压之和，这也是二极管VD截止时所承受的电压

（2-3）

由图3可见，电感电流平均值IL等于V和VD导通期间流过的电流平均值IV和IVD之和，即

电感电流最大值iLmax和最小值iLmin分别为

（2-4）

（2-5）

负载电流Io等于流过二极管VD电流的平均值IVD，即在t=ton～T期间，电感电流的平均值为

（2-6）

6 （2-7）

开关管V和二极管VD电流的最大值iVmax、iVDmax等于电感电流的最大值iLmax

（2-8）

因为电容很大，因此输出电压在一个开关周期内变化较小，则输出电压脉动量可用V导通期间电容C放电量QC=IoαT计算，因QC=C·ΔUo，故

（2-9）

3、主电路参数的计算

本电路要求输入电压为40V，输出电压为50V，输出功率P为400W，输入纹波电流为输入电流平均值的2.5%，输出纹波电压为输出电压平均值的2.5%，开关频率为100kHZ。

占空比：由式（2-1）可得占空比：

则α为0.556。

输出电流（二极管电流）的平均值：因为电容足够大，忽略电容电流，则

由式（2-2）可得，输入电流（电感电流）的平均值Ii=10.02A。 电感：根据纹波电流为输入电流平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电感电流的增量为ΔiL=0.502A

，因此电感值

电容：根据输出纹波电压为输出电压平均值的2.5%，可得在开关管导通期间电容电压的增量为ΔUo=2.5V，则由式（2-9）可得电容值

7 开关管的选择：流过开关管的电流最大值

开关管承受的最大反向电压为50V，平均值为31.85V，考虑一定的裕量，承受的最大反向电压为63.7V。

二极管的选择：二极管所承受的最大电流和最大反向电压与开关管的相同，分别为18.27A和63.7V。

4、MATLAB仿真

用MATLAB软件搭建如下仿真图4

图4

仿真结果如图5

8 图5

5、Buck/Boost电路的开关损耗分析

在典型Buck/Boost电路的应用中，开关损耗主要指快恢复二极管损耗和开关管损耗。

（1）、快恢复二极管损耗 快恢复二极管损耗主要由3部分组成：开通损耗、通态损耗、关断损耗。

（2）、开关管损耗 在开关Buck/Boost变换器中，开关管损耗由开通损耗、通态损耗、关断损耗3部分组成。开通损耗主要包括开通时开关管两端等效电容含开关管的输出电容和放电形成容性的开通损耗，以及从截止到完全开通，度过放大区时形成的损耗；在Buck/Boost电路中，由于二极管在关断时产生方向恢复电流，造成二极管本身损耗，同时也增大了VQ的开通损耗，其增大部分等于Pvd通态损耗主要由VQ的通态电阻产生。其中关断时产生损耗的原因多种多样，主要表现在关断过程中电流下降的延迟和电压上升的过快，从而形成电压电流的交叠，产生很大的功率损耗。

6、结论

本文给出了Buck/Boost直流变换器的主电路的结构图、在电感电流连续时的主要波形，并对其工作原理进行了详细的分析，按照要求计算出了主电路元器件的相关参数，再利用MATLAB搭建仿真线路图进行仿真，得出仿真波形，从仿

9 真出的波形图与计算出的数据进行比较，从而分析Buck/Boost电路的开关损耗。

7、心得

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

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刘星

10

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电力知识已经成为当今实际应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电力技术是十分重要的。

回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

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孔剑

11 我此次的课设题目是buck-boost电路开关损耗分析。这次的课设让我感慨颇多，虽然困难重重，但是经过组员们的共同努力，集众人的智慧，我们还是完成了任务，buck-boost电路开关损耗是《电力电子技术》课程中两个章节的内容，分别是直流变直流和开关元件的部分。我们根据电路原理进行理解，并在此基础上做了相关的实验。本次课设进度主要分为电路分析、电路设计、实验仿真及实验分析。我主要负责仿真部分。运用matlab的仿真功能对电路进行仿真，并得到相应的仿真图，可以与实验结果相互印证，相互纠错。

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刘隆鑫

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13

14