第1O卷。。。_●●-。。。。。 ●_‘。。。。。。__●。。。。。。第27期。。● -。。。。。。 。’。。。。。。。●_。。。。。。_●● 。2010年9月 。。。。。-- 。_。。。。。。- 。。’。。。一 科学‘技术与工程 Vo1.10 No.27 Sep.2010 1671—1815(2010)27—6648—05 Science Technology and Engineering @2010 Sci.Tech.Engng. 机电技术 Buck.Boost变化器的仿真分析 李雪莉 (中国石化集团管道储运公司潍坊输油处,滨州256600) 摘要PSl ̄ice是一款功能强大的电路仿真软件,仿真结果十分接近电路的真实状态。应用PSpice对Buck—Boost变换器的全 部工作过程进行了仿真与分析,Buck—Boost电路的工作过程包括电路启动时的瞬态工作过程和稳态工作过程。对电路中储能 元件的各种工作状态进行了分析,给出了大量直观的仿真波形,从而更进一步了解了Buck.Boost变换器。 关键词Buck—Boost变换器PSpice 暂态分析 稳态 中图法分类号TM46; 文献标识码A 电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前 发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代, 开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋。其 中Buck-Boost变换器既可以提升电压又可以降低电 压,其电路拓扑简洁,输入电压范围宽,负载短路时可 管,在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态,Q导 通,输入电流流经电感 和开关管Q,电感 储能; 开关管Q截止时,续流二极管D导通,电感 向负 Q D 靠性高等优点,但是其输出电压极性与输入电压极性 相反…。由于同一个电池不能被同一装置中的多个 部分作为电源使用,而且其他拓扑电路需要使用变压 T 器或线性调节器,致使装置的重量增加、效率降低 J。 因此最可行的拓扑结构就是Buck.Boost DC/DC变换 L 。 ; j l ; 下 器,因此对其研究对电子设备有很深远的意义。由 于传统资料中仅给出电路分析过程比较烦琐,不利于 理解电路的整个工作过程和升降压原理 J。。本文采 用PSPICE软件进行仿真,直观、详细的描述了Buck. Boost电路由启动到达稳态的工作过程, 利于真正掌 握。Bu,ck—Boost电路的工作原理。 图1 1Buck—Boost变换器的电路图 载R供电,同时给电容c充电,电感 释放能量,在 理想情况下,该电路输出电压: n = ^一 (1) 式(1)中,D为Buck—Boost变换器的占空比,当D= 1 Boost变换器及其工作原理 常用的升降压(Buck—Boost)变换器的原理如图 O.5时,v0= ;若D<0.5,则Vo< ;反之,若D> 0 5时, > 。Buck—Boost变换器的工作模式分 为电感电流连续工作模式(CCM)和电感电流断续 1所示…,其中 为输入直流电源,Q为功率开关 工作模式(DCM),其中电流连续模式的电路工作状 态如图2(a)和图2(b)所示,电流断续模式的电路 2010年6月30日收到 工作状态比电流连续模式多出一个电感电流为零 的工作状态,如图2(c)所示。 ’ 作者简介:李雪莉(1972一),女,蒙古族,黑龙江嫩江人,研究方向 输油管网系统的自动控制。E—mail:xiaotaiyang1234567@126.COIII。 27期 李雪莉:Buck.Boost变化器的仿真分析 6649 Q D Q D 一 l l R 加 r 15 CdcTF=25PW=IOSs j(a)Q开通 (b)Q关断 P 鼍}2 。 F = =40_: 图3 Buck—Boost变换器的PSpice模型图 l・0 (c)Q关断时电感电流为0 嚣。 弹 髻ti; 善 蠢 攀越:蛙.茧 甄 麓蕈 麓《 皇 瘫 凝 卿一1 0 }图2 Buck.Boost变换器的工作状态 ) 时间/ s 在电感电流连续的条件下,电路工作于两种 状态: 图4电感电流的仿真波形 (1)当开关管Q导通、二极管D截止期间(t= 更接近于Boost变化器。开关管每开通一次,电感 0时),电源电压 全部加到电感 上,电感电流i 储能即增加,每关断一次, 储能因向负载侧馈送 线性增长。负载由滤波电容 供电。电感中的电 而减小,故每个开关周期都有能量送到负载侧。Buck 流线性上升。 变换器的 在输出端,故电感电流就是负载电流。 鲁 (2) 因为 脉动较小。Buck—Boost变换器的 在中间, 当t= 时,i。,figN其最大值。 . 所以输入和输出电流的脉动都很大,故通常输入与输 (2)当t= 时刻,Q关断, 通过二极管D续 出侧还需加滤波器。 流,电感 的储能向负载和电容C 转移,此时加在 纹波电压: 上的电压为一 , 线性减小。 av0= = 吼= 。 (6) =一 (3) 式(6)中,t。一t 为开关闭合的时间。 当t= ( 为开关管Q的开关周期)时, 达 到其最小值。在Q导通期间的增长量与关断期间 2 PSpice仿真及其建模 的减小量相等。开关管Q截止时,加于其上的电压 为 本文应用基于PSpice的OrCAD10.5软件对 = + = = Vo (4) Buck—Boost电路建模,将设计输入电压 为15 V, 脉冲频率为40 kHZ的Buck.Boost型变换器。建模 当开关管Q开通时,加于二极管D上的电压 的电路模型图如下图3所示,其中 为输入直流电 为 源,尺 为驱动电阻,R =40 Q,R为负载电阻,R=40 ’ Q,为保证Buck—Boost变换器工作于电流连续模式, + = = 。(5) 滤波电感 暂取为160 H。功率开关管Q采用 从 Buck—BOOSt变换器的基本工作原理来看,它 IGBT管APT50G50 BN,其驱动信号采用脉冲信号 之出硼之坦锄 憾冒v/蜒罾糖锄 665O 科学技术与工程 l0卷 源[引,其主要参数设置,如图3所示。 0~4 s时段:此时间段中,开关管Q处于关断 3电流连续模式下的升降压型DC/D变换 器仿真研究 3.1 Buck-Boost变换器的瞬态过程分析 状态,二级管D处于关断状态,直流电源与负载断 开,电路处于暂态。输出端由电容G,向负载R提供 能量。此时电路开关状态如图2(c)所示 (4—14) s:开关管Q在(4—5) s之间开通, 并一直保持开通状态到l4 s,此时电路开关状态 如图2(a)所示。由于电路开关状态突然发生变化, 用PSpice仿真软件对图3所示的Buck—Boost 变换器进行瞬态分析,各元器件的电气参数如图所 示,电感电流的仿真结果用图形输出如图6所示,由 图可知,电感电流始终为正值,说明该电路工作于 连续状态。在仿真设置完成后,进行仿真,得到输 出电压( (C,:2))、开关管两端的控制信号( ( : +)一 ( :一))、流过电感电流(,( ))、电感电压 ( :1)和电感的功率 ( )波形如图5所示。输 出电容C,两端的电压即为输出电压。 图5瞬态分析的各测量点波形图 图6输出电压、电感电流的仿真曲线 电路进人暂态。由于开关管Q的闭合,开关管两端 的电压降为0,电感电流开始线性增长,电感两端产 生电压降,电感开始储能;此时二级管D处于关断 状态,输出端由电容c,向负载 提供能量,电容上 的电压 ,,即输出电压在下降。由于Buck—Boost型 变压器的输出电压的极性与输入电压相反,因此电 压位于零点以下。如图5所示。 (14—29) s:开关管Q在(14~15) s之间断 开,开关关断状态一直保持到29 US结束。此阶段 中,电路状态再次发生突变、电路仍处于暂态中。 由于电感的电流具有连续特性,线圈之中的磁场要 改变线圈两端的极性,以保持电感中的电流不变。 此时电感向后级释放能量,电感的电流不断减小, 电感电流通过二极管到达输出端后,一部分给输出 提供能量,一部分给电容C,充电。 电路在4 s一29 s时段之间的工作过程是 Buck—Boost电路的第一个工作周期,此后电路重复 上述过程继续工作,工作至稳态过程。 3.2电路稳定过程的分析 用PSpice对Buck—Boost电路模型进行0—2.5 ms稳态分析,输出电压( (C,:2)一 (C,:1))和电 感电流(,( ))的波形如图5所示,从仿真结果可 知,电路输出电压,电感电流在1.3 ms左右趋于稳 定,此时电路进人稳态。从仿真结果中可发现电感 电流在前1.2 ms内形成了一个峰值,这是由于前1. 2 ms内,输出电容C,和电感 上的能量不断增加 导致的,它反映了电感和电容由暂态到稳态的过渡 工作过程中,器件自身的能量存储的过程。为了观 察图4中电感电流在稳态时受开关控制的变化情 况,对图5进行局部放大,得到图6。图6是在稳态 时电感连续时的波形图,由图可知,电感电流 为 ∞ w — 雷锋曾 ∞ O w w v/塘脚矩神 27期 李雪莉:Buck.Boost变化器的仿真分析 6651 锯齿波,而且始终为正值,说明该电路工作于连续 状态。 Buck.Boost电路刚开始工作时电容的存储能量大于 释放能量即充电能量大于放电能量。电容在每个 周期中除了在开关闭合时给负载提供能量外,本身 在稳态过程中,电路的工作过程与图4相类似, 只是此时电感、电容均已进入稳定工作状态,每个 还在进行存储能量的过程,所以输出电压越来越 高。随着电压的升高,开关闭合时,电容的放电电 流越来越大,直到一个周期内,电容的充电能量等 开关周期内电感提供相同大小的负电压,电感电流 下降的斜率不变,如图5所示,电感吸收的能量等于 释放的能量,电容充电能量等于放电能量,电感、电 于电容的放电能量时,电容进入稳定工作状态,输 容不再吸收能量而成为能量传递工具。 出电压稳定。 图7是电感 功率的仿真波形,从中可以看到 电感的功率P为正表示吸收能量,P为负表示释放 4 电流断续模式下的升降压型DC/DC 能量,P波形曲线与时间轴所围面积就是相应时间 (Buck-Boost)变换器仿真研究 内电感传递能量的大小。电路工作的前两个周期 当电感较小或者负载电阻较大时,Buck-Boost变换 中,电感储存的能量大于释放的能量。第二个周期 器将会进入电流断续模式,现将图3中的负载电阻 开始时,电感电流进一步储存能量,在开关断开时, 增加到200,变换器的电感减小到10 uH.现取电路 电感释放出能量。当电感吸收的能量等于其释放 进人稳态后的2 ms一2.35 ms进行扫描,经仿真分 的能量,电感不再进一步储能,开关断开时电感提 析,发现电路已经工作于电流断续模式。对于电路 的瞬态过程与电流连续型完全类似。电流断续模 : ’式下稳态电路相应信号输出波形如图8,图中分别 l_l 为电感 断续时的波形图和开关管两端的控制信 j 誊 鬻 号( ( :+)一 ( :一))的波形图。 -40W O 5结论 图7 电感功率仿真的波形图 PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特 性,通过对电路方程运算求解,能够仿真电路的细 节,特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的 描述。本文采用PSpice仿真分析方法,对Buck— Boost变换器的工作过程和原理进行了详细分析,并 从能量传递的角度分析了电感、电容等储能元件由 暂态到稳态的工作过程,并且给出了直观易懂的计 算机仿真波形图,验证理论分析的正确性,对深入 理解Buck.Boost变换器具有极大的促进作用。由此 +)一 一) 时间/its 可以更进一步地了解升降压变换器,为以后的进一 步研究打下基础。 图8电流断续模式下稳态电路相应信号输出波形 参考文献 供的负电压不会再增加,电感电流下降的斜率也不 会增加,电感进入稳定工作状态。 1王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2000 2张卫平.绿色电源——现代电能变换技术及应用.北京:科学出 输出电容同时也存在由暂态到稳态的过程, 版社,2OOl 6652 科学技术与工程 10卷 3 Ka mierczuk M K.Transfer funetion of current modulator in PWM 4阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术.北京:科学出版 converters with current-mode contro1.Circuits and Systems I:Funda— 社,2000 mental Theory and Applications,IEEE Transactions on,Volume:47 5谭阳红,蒋文科,何怡刚.基于OrCAD 10.5的电子电路分析与设 Issue:9,Sept,2000:14o7一l412 计.北京:国防工业出版社,2007 The Simulation Research of Buck-Boost Converter LI Xue 1i (Weifang On Transportation Station,Pipeline Storage and Transportation Corporation,SINOPEC,Binzhou 256600,P.R.China) [Abstract]PSpice is a powerful simulation software,simulation results are very close to the true state of the cir— cult.The overall working stages of Buck—Boost converter is simulated and analyzed by PSpice.The working process of the Buck—Boost circuit includes the transient process of start—up circuit and the steady working process.All the stages of stored energy elements of Buck—Boost converter are also introduced.The large number of visual simulation waveforms are given.Thus the understanding of Buck—Boost conve ̄er is deepened. [Key words] Buck.Boost convener Pspice transient analysis steady—state 0 ; ) ) (上接第6647页) Experiment Research on Bituminous Coal Pyrolysis by TG-FTIR and Determination of Pyrolysis Kinetic Parameters LIU Li,QIU Peng・hua,Wu Shao—hua,ZHANG Ji—feng,QIN Yu—kun (Combustion Englneering Research Institute,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,P.R.China) 『Abstract] It is signiifcant to study the components and the relevant concentration of volatile matters released dur- ing pulvenzed coal pyrolysis,which is fundamental for the further study of low NO combustion and NO reduction during coal reburning process.The devolatilisation experiments of two types of Chinese bituminous coal were per- formed using TG—FITR(Thermogravimetry combined with Fourier Transform Infrared Spectroscopy)analysis.Four heating rates(10,20,50 and 80 ̄C/min)were adopted to research the weight loss nad gases evolution.The numeri— cal simulations were performed by using FG—DVC(Functional Group and Depolymerization,Vaporization,Cross—link— ing)model on the experimentla coals.It was indicated that the simulation results were well fitted ofr one of the two types of coal but not very well for another.The error was caused by the inaccuracy of the kinetic parameters of the main spe— cies provided by FG DVC mode1.The kinetic parameters are then corrected by introducing FI1IR resluts to a series of ifrst—order formulation by assuming that the light gases evolution are parallel and independent in FG—DVC mode1.By adopting the corrected kinetic parameters the simulation resluts rae agreed iwth expeirments data much better. [Key words] coal pyrolysis TG-兀1R kinetic parameters FG—DVC