轉換器電路基本原理及其建模

王一帆

摘 要：為減小開關變換器的輸出電流及電壓的突變，提高控制精度及其性能，本文以基本型轉換器為研究基礎，詳細介紹了各式基本升壓降壓變換器的設計方法，并深對現使用廣泛的boost轉換器進行建模。通過MATLAB進行仿真，分析了boost轉換器的工作特性，通過參數調節使其達到預期值。

關鍵詞：開關變換器;boost轉換器;傳輸模式;小信號建模

交流-直流轉換器的原理是對所輸入的交流電進行全波橋式整流，并對獲得的整流器輸出工作電壓進行直流-直流轉換。因此，直流-直流轉換的技術性質基于交流-直流轉換拓撲，交流-直流轉換技術的發展趨勢促進了直流-直流轉換拓撲結構的不斷出現[1]。

1 轉換器基本原理

1.1 Buck轉換器的基本原理

Buck轉換又名降壓轉換器。降壓轉換器適用于各種類型的降壓電源開關[2]。當開關S導通時，二極管D對于反方向電流呈截止狀態，同時電源電壓Vs被添加到電感器L和電容器C[3]。Buck轉換器的輸入電流Is可被視為等同于流經電感器L中的電流Il。

1.2 Boost轉換器的基本原理

Boost轉換器也稱為升壓轉換器。當開關管S導通的時候，二極管D對于反方向電流呈截止狀態，UL=Vi[4]。當開關管S關斷時，二極管D對于正向電流呈導通狀態，并且電感器L中的電流不會突然改變[5]。電感器兩側的工作電壓為Vout-Vs，并且開關電源電流Is仍等于電感器電流Il[6]。

1.3 降壓-升壓轉換器的基本原理

Buck-Boost轉換器又被稱作是降壓-升壓變壓器，可以達到工作電壓的降低或升高變換的目的[7]。當電源開關管S導通時，將電源輸入電壓Vs添加到電感器L上，流經電感器L的電流增加，二極管D對反向電流呈截止狀態，負載由耦合電容器C提供電能。當電源開關管S關斷時，電源電Il根據二極管D續流，電感器L的能量存儲遷移到負載和電容器C[8]。

2 連續傳輸模式下（CCM）的升壓轉換器電源電路

轉換器電源電路的工作模式可被大致分成兩種：CCM和DCM兩種類型[9]。當Boost升壓轉換器的主電源電路以CCM模式為工作模式時，電路中會產生感應電流[10]。設置ton指示開關管的接通時間，設置toff指示開關管的斷開時間，設置Ts指示開關周期的時間。假設電感器在傳導鏈路中未飽和，電流增加ΔI，其中ΔI是流過電感器L的電流的諧波失真大小[11]。

當開關管關閉時，為了保持電感器電流不會突然發生變化，電感器的兩個直流電壓方向相反。此時，二極管的傳導損耗被忽略。也就是說，在此電路中，電感器電流線性度降低，并且在恒定的情況下，導通和斷路的電感諧波失真電流ΔI相同，即Vo-ViL·toff=VoL·ton。

3 升壓電路模型建立

升壓轉換器的特點是包含很多具有獨立存在的電路元件，但在對多數模型進行仿真的時候，往往會忽視一些容易影響試驗結果的次要因素，本文采用一種小數據信號建模方法來建立Boost電源電路的實體模型，該方法也是在CCM連續導通的工作模式下進行研究的實體模型的有效方法之一。

在電源開關管Q導通時，電感器L的工作電壓VL（t）和電容器C電流的工作電流ict分別為：

通常，使用小信號分析實體模型來創建Boost升壓變壓器電路。同時，為分析小信號的特性提供了理論基礎，并根據測量值進一步獲得了轉換器的必要性能參數，如被測目標傳遞函數和等效電路，等效電路輸出阻抗。

4 AC-DC轉換器的仿真結果分析

為了更好地驗證控制轉換器系統的特性，在MATLAB/SIMULINK平臺上搭建仿真模擬電路，將仿真時間設置為1s，輸入工作電壓范圍：170V～260V，電源電路開關頻率100Hz，負載值160Ω，輸出功率1kW，電源電路電容器250μH，電源電路電感330μF。由圖可知，輸入電壓為周期性正弦波，經交流整流后輸入電壓的第一周期有20V左右的超調，在第三個周期后在每個峰值左右都會有小部分突變，經交流轉換后電流初期同樣存在部分超調現象。負載輸出電壓初期有部分超調，隨后及時回落至400V，負載的初始輸出電流部分超調的現象，除此以外的部分皆符合預期值。

5 小結

本文分析了直流轉換器，根據開關管的導通和截止兩種條件下電感和電流工作狀態對輸出電壓電流的影響，進行了詳細的等式計算，得到了可變電壓轉換器的平均動態方程。此外，還在MATLAB/SIMULINK平臺上創建變壓轉換器的模型仿真。根據變壓轉換器的主要參數的有效設置，對控制系統進行定時，得到系統的電壓波形和電流波形，并詳細地對電壓電流超調突變等動態性能參數進行分析。

參考文獻：

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