基于PSIM軟件的Buck-Boost變換器的設計與仿真

許亦冉

（華南理工大學 廣東 廣州 510461）

基于PSIM軟件的Buck-Boost變換器的設計與仿真

許亦冉

（華南理工大學 廣東 廣州 510461）

Buck-Boost變換器是常見的直流-直流變換器，有著能夠將直流電壓轉換為比輸入電壓大或者比輸入電壓小的功能。本文著重研究了如何根據電路的要求設計一個簡單的Buck-Boost，并且通過PSIM仿真軟件對其性能進行測試。

Buck-Boost變換器的設計；PSIM軟件

1 總體方案的確定

Buck-Boost變換器的電路包括主電路、控制電路、驅動電路和保護電路。其中，主電路用于完成變換器主要功能，即對直流的升降壓。控制電路用于控制電力電子開關的通斷。驅動電路用于驅動電力電子開關。保護電路則是用于檢測并保護各電路元件。

在這里，要求的Buck-Boost變換器的參數為：（1）開關管使用MOSFET，開關頻率為18kHz；（2）輸入直流電壓為10.5V，輸出直流電壓為19.5V；（3）負載電阻為78Ω；（4）最大輸出紋波電壓為40mV；（5）電感電流連續。

2 主電路的設計

2.1 主電路的模態分析及設計

2.1.1 主電路原理圖 Buck-Boost變換器的主電路如圖1所示。主電路由MOSFET開關VT、二極管VD、儲能電感L、濾波電容C和負載電阻RL組成。

圖1 Buck-Boost變換器主電路

通過改變開關VT的通斷可以改變電路的模態。當開關VT導通時，直流電源E的電壓加在電感L兩端，給電感L充電；當開關VT斷開時，由于電感電流的連續性，二極管VD導通，電感L在右半部分回路中放電，給電容C充電。

電感L主要用于平波并使電流連續。電容C的作用主要是濾波，減小紋波電壓。

2.1.2 主電路的模態分析

假設開關元件為理想器件，電感L和電容C都非常大。電路的狀態可以分為以下兩個模態，如圖2所示。

圖2 Buck-Boost變換器模態等效電路

（1）VT導通時

如圖2（a）紅色部分所示。直流電壓源E給電感L充電。對于電感L有，由上式可知，流過電感L的電流在VT導通的時間段里是線性上升的。

（2）VT關斷

VT關斷時的等效電路如圖2（b）紅色部分所示。對于回路有。式中，UO為穩定輸出的直流輸出電壓值。由于電容C非常大，故可認為該電壓為一定值。

此時電感電流有

式中ton為一個周期內的導通時間。可知電感電流是線性下降的。

另外對于電容C，流過它的電流為

式中，iO是流過負載的電流。

基于上述分析，可以得到各元件的電壓和電流波形圖如圖3所示。

圖3 各元件電壓、電流波形[1]

穩定時，對于電感L運用伏秒平衡原理，即

2.2 主電路的參數選取

2.2.1 電感L參數 在Buck-Boost變換器中，流過電感L的電流如圖3。

由圖3并結合上小節公式可知，若要使電感電流連續，電感L值必須要大于某個臨界值Lmin。下面推導臨界值Lmin：

當Imin=0時，一個周期內的平均電流

一般在最小臨界值的基礎上，要保留一定的裕量。但又不宜選得過大，否則會導致整個系統上升時間較長。

2.2.2 電容C參數 對于濾波電容C，它主要的功能是濾去諧波，減小紋波電壓。下面就紋波電壓推導電容C的最小值Cmin。

另外，對于電容C的最大電壓應為輸出電壓與最大紋波電壓一半之和，且留有一定的裕量。

2.2.3 開關管VT選取 對于開關管VT主要是選取額定電壓和額定電流。

由模態分析可知，額定電壓應在直流電壓E上留有裕量。

對于額定電流，由圖3可以計算開關管的平均正向電流

額定電流可以據此留有一定裕量選取。

由2.2.1～2.2.4節的推導并結合指標，可以計算得到

考慮到5～6倍的裕量，最后我選取的各元件參數為電感L=1.5mH，電容C=1.5mF。

可以計算出開關管的正向平均電流

考慮一定的裕量選擇型號為IRC530的MOSFET管，額定電流為14A。

3 控制電路和驅動電路設計

3.1 控制電路的設計

3.1.1 PWM控制技術 本設計考慮使用PWM控制來產生脈沖波形。載波使用三角波，調制波選用直流電壓。

假設載波的幅值和頻率是一定的，則輸出波形的頻率與載波頻率一致，輸出波形的占空比α可以通過改變直流電壓的大小來調整。可以得到。選擇載波幅值為10V，則通過上述公式以及α=0.65可以得到Ur=-3V。

3.1.2 控制電路的實現 控制電路可以依托專用PWM控制芯片SG3525實現[3]。如圖4所示為SG3525的內部結構圖。圖中電壓比較器相連部分是PWM的比較部分。通過調節管腳2所連滑動變阻器可以得到不同的直流電壓。振蕩器部分根據管腳5、6、7所連電容和電阻可以得到三角波的頻率為 。其中CT是管腳5所連電容，取0.01μF；RT是管腳6所連電阻，取5.1kΩ；RD是放電電阻，取1.65kΩ。

圖4 SG3525內部結構圖

管腳11和管腳14能夠輸出一組互補的矩形波，也就是我們所希望得到的PWM波形。通過管腳11和管腳14連接到驅動電路即可驅動開關管運行。

3.2 驅動電路的設計

經查閱資料[4]，考慮到本課程設計運用的是小功率開關設備，且并沒有要求電氣隔離，我設計了如圖5所示的不帶隔離的MOSFET推挽式驅動電路。該電路的原理相對簡單，當從左邊的輸入端輸入正脈沖時，上邊的開關npn1導通，右邊的輸出端將輸出一個大小與穩壓管穩壓值相同大小的電壓；當左邊輸入端的脈沖消失時，輸出端輸出的電壓為零。圖中的參數選取：電壓值大小為5V；電阻大小為1Ω，其作用是限制電流大小，防止前后兩個開關管直接連通；穩壓管的穩壓值為20V。

圖5 驅動電路圖

圖6 RCD型緩沖電路和di/dt抑制電路

4 保護電路設計

電力電子電路器件關斷時，可能會發生過電壓或者過電流的現象，可能造成自身或者其他器件的損壞。這時需要設置適當的保護電路[3]。本設計采用了緩沖電路的方式保護電力電子元件，為RCD緩沖電路和di/dt抑制電路的組合。如圖6所示。

查閱了一些資料[5]，并結合仿真軟件調試，最后確定的緩沖電路各元件參數為：Ri=1kΩ，Li=33μH，RS=100Ω，CS=33μF。

5 仿真過程和結果分析

5.1 PSIM電路模型搭建

本設計在PSIM軟件上實現仿真。搭建的模型如圖7所示。

圖7 PSIM中的模型搭建

需要說明的是，由于PSIM軟件沒有芯片SG3525的封裝，這里的控制電路直接用電壓比較器、三角波和直流電壓源代替，輸出的也是PWM信號。各元件參數設置可以雙擊各元件設置。

最后得到各參數如圖8標識所示。

仿真時間設為1s，步長設置為1E-006。

5.2 結果分析

5.2.1 主電路典型波形

圖8 主電路輸出電壓波形

從主電路輸出波形可以知道，輸出電壓值大小基本與2.1.2內容相符。仿真結果的輸出電壓平均值為19.50058V，與理論值19.5V的相對誤差為0.003%。可以測得紋波電壓的大小為9mV左右，符合設計要求。如圖9所示。

圖9 電感L波形

將電感的電流與電壓波形與圖3的理論波形比較，兩者是一致的。

5.2.2 保護電路對波形的影響和負反饋 在主電路中加入緩沖保護電路后的模型如圖10所示。

仿真之后可以得到輸出電壓波形如圖11（b）所示，與未加入保護電路的輸出電壓波形圖11（a）相比，可以發現電壓的上升時間縮短了，超調量也有所減小。但是，由于加入了新的電感和電容，輸出電壓的波形也有所下降。為了使輸出電壓穩定在設計要求的19.5V左右，考慮在輸出電壓和PWM的調制波之間加入閉環負反饋環節，控制調制波的大小，從而控制占空比大小，使得輸出電壓穩定在19.5V左右。

圖10 加入緩沖電路后的主電路拓撲結構

圖11 保護電路前后波形

為此，如圖10所示，從輸出電壓端引出一反饋到電壓比較器，與標準電壓-19.5V進行比較（輸出電壓相對于公共端為負值），通過一個比較器到PWM環節的調制波，從而形成了一個閉環結構。當輸出電壓不足19.5V時，通過反饋環節能使調制波有所減小，從而增大了占空比，提高了輸出電壓值。

圖12 反饋環節示意

最后可以得到電壓輸出波形如圖13所示，此時輸出電壓為19.46V。但是此時紋波電壓增大了，可以考慮增大濾波電容數值使得紋波電壓減小。例如將電容增大為6.8mF即可使得紋波電壓小于40mV。如圖14所示。

圖13 加入負反饋后的輸出電壓波形

圖14 調整濾波電容后的輸出電壓波形

總之，輸入電源經過在控制電路和驅動電路驅動下的主電路的Buck-Boost變換器后，能夠輸出穩定的直流電壓，且電壓值為19.5V，與理論推導的結果相近；另外，加入緩沖電路后的電壓上升過程時間減少，能夠更快達到穩定值；而保護電路所引入的負反饋能夠有效減少外來擾動，使得輸出電壓穩定在19.5V左右。

[1]林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社，2008.

[2] Mohan N，Undeland T M， Robbins W P.Power Electronics--converters，applications， and design[M].2nd edition. John Wiley&Sons，1995:179.

[3]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2009.5:243-244.

[4]龔春英，劉煜，肖嵐.幾種MOSFET驅動電路的研究[J].電源技術應用，2001，(03):95-98.

[5]曲振江，左樹萍，付媛媛.RDC緩沖電路的技術分析[J].高電壓技術，2007，(05):176-179.

TM46 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0070-04

許亦冉（1996-），男，漢族，湖南衡陽人，華南理工大學電氣工程及其自動化卓越班（2014級）本科在讀，研究方向：電力電子拓撲和控制。