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48WBuck/Boost电路设计与仿真验证

一、主电路拓扑与控制方式

Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换

器，其主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也有开关管、二极管、电

感和电容构成，如图1-1所示。与Buck和Boost电路不同的是，电感Lf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相反。开关管也采用PWM控

制方式。Buck/Boost变换器也有电感电流连续喝断续两种工作方式，本文只讨论

电感电流在连续状态下的工作模式。图1-2是电感电流连续时的主要波形。图1-3

是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。电感电流连续工作时，有

两种工作模态，图1-3(a)的开关管Q导通时的工作模态，图1-3(b)是开关管Q关

断、D续流时的工作模态。

图1-1主电路

图1-2电感电流连续工作波形

(a)Q导通(b)Q关断，D续流

图1-3Buck/Boost不同开关模态下等效电路

二、电感电流连续工作原理和基本关系

电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管Q导通和开关管Q关断两

种工作模态。

在开关模态1[0~ton]：

t=0时，Q导通，电源电压Vin加载电感Lf上，电感电流线性增长，二极管

D戒指，负载电流由电容Cf提供：

(2-1)

(2-2)

(2-3)

t=ton时，电感电流增加到最大值

，Q关断。在Q导通期间电感电流增加量

(2-4)

在开关模态2[ton~T]:

t=ton时，Q关断，D续流，电感Lf贮能转为负载功率并给电容Cf充电，

在输出电压Vo作用下下降：

(2-5)

(2-6)

t=T时，

见到最小值

，在ton~T期间

减小量

为：

(2-7)

此后，Q又导通，转入下一工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量

转换有两个过程：第一个过程是Q开通电感Lf贮能的过程，第二个是电感能量向

负载和电容Cf转移的过程。

稳态工作时，Q导通期间

的增长量应等于Q关断期间

的减小量，或作用在电感Lf上电压的伏秒面积为零，有：

(2-8)

由(2-8)式，若Dy=0.5，则Vo=Vin；若Dy0.5，则VoVin；反之，Dy0.5，

VoVin。设变换器没有损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流平均值Io之比为

(2-9)

开关管Q截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，

这也是二极管D截止时所承受的电压

(2-10)

由图1-2可见，电感电流平均值

等于Q和D导通期间流过的电流平均值IQ和ID之和，即：

(2-11)

(2-12)

负载电流Io等于流过二极管D电流的平均值ID，即在t=ton~T期间电感

电流的平均值

(2-13)

(2-14)

电感电流最大值

和最小值

为：

(2-15)

(2-16)

开关管Q和二极管D电流的最大值

、

等于电感电流最大值

(2-17)

Q导通期间，电容Cf电压的变化量即输出电压脉动

由Q导通期间

放电量

计算，因

，故

(2-18)

三、实验参数计算

Buck/Boost变换器设计指标为：(1)输入电压

：直流18~72V;(2)输出电压

：直流24V;(3)输出功率

：48W。

设定IGBT的开关频率

为100kHz，电感电流纹波

为电感电流平均值

的5%，输出电压纹波

为输出电压

的2%。