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1、武汉理工大学毕业设计（论文）目录目录1摘要1Abstract21 绪论31.1 开关电源概论31.2 DC-DC转换器的基本手段和分类31.3 DC-DC转换器主回路使用的元件及其特性41.3.1 开关的特性41.3.2 电感的特性41.3.3 电容的特性41.4 开关电源技术的发展41.5 论文的主要内容及章节安排62 BOOST转换器的基本工作原理72.1 BOOST转换器的电路拓扑结构及工作原理72.1.1 电路拓扑结构72.1.2 工作原理72.2 BOOST转换器的工作模式分析82.2.1 Boost转换器电感电流连续工作模式92.2.2 Boost转换器电感电流断续工作模式112.
2、2.3 电感电流连续的临界条件122.2.4 Boost转换器工作模式的特性比较133 BOOST转换器的建模与仿真143.1 BOOST转换器主电路的建模143.2 BOOST系统的传递函数153.2.1 Boost电路的传递函数153.2.2 PWM比较器的传递函数163.2.3 调节器的传递函数173.3 BOOST转换器的参数设计173.4 BOOST转换器的电路原理仿真183.4.1 建立仿真模型183.4.2 仿真结果与分析194 BOOST转换器的控制与仿真214.1 BOOST转换器的控制技术214.1.1 Boost转换器的控制技术比较214.1.2 控制技术的选择224.2
3、 BOOST转换器的控制模式的选取224.3 BOOST转换器的控制算法的分析234.3.1 比例积分控制(PI)的分析234.3.2 比例积分微分控制(PID)的分析244.4 BOOST转换器的控制算法仿真254.4.1 PI控制算法的仿真254.4.2 PID控制算法的仿真264.4.3仿真结果的比较与分析275 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
4、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BOOST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BO
5、OST型转换器的电路以及控制算法的仿真，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 AbstractWith 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 power suppl
6、y. 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) and Discont
7、inuous 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 various c
8、ontrol 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 terms of
9、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 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，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
10、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
11、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)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；(
12、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
13、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。以上是从电路拓扑来分类，还有从其他角度、特征来分类的。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。
14、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
15、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，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、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
