基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第16期No.162023年8月Aug.2023收稿日期：2022-05-03稿件编号：202205009作者简介：聂进新（2000），男，湖南道县人。研究方向：电力电子技术。四开关Buck-Boost电路与常规的直流变换器相比，具有开关管电压应力小、输入输出电压同极化的特点1，要实现上述功能，电路参数的设计尤为关键。传统的电路参数设计方法是利用经典的AP算法2-3、电路换流分析4-5等数学关系对电路进行解算，得到的电路参数偏重于静态的数学计算，缺少较充分的仿真数据支撑，不能很好地应用于实验样机的开发。该文利用 PLECS仿真软件辅助参数设计，得到符合电路设计要求的电路参数组合，通过制作样机对设计的参数进行检测，验证参数设计方法的合理性与有效性。1电路工作原理分析四开关 Buck-Boost变换器的拓扑结构如图 1所示，主要由四个功率开关管、输入输出两个滤波电感及中间滤波电感组成。图1四开关Buck-Boost变换器拓扑结构开关管 Q1、Q2桥臂为 Buck 降压单元，Q1为 Buck单元的主控功率管，设其占空比为 DBu,Q1、Q2互补导通带死区；开关管Q3、Q4桥臂为Boost升压单元，Q4作基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计聂进新，赵志斌，于守淼，郝世勇，张元峰（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）摘要：为了优化四开关 Buck-Boost变换器的参数设计过程，分析了一种基于 PLECS软件设计电路参数的方法。该方法在原理分析的基础上，利用 PLECS仿真软件建立了电路的开环、闭环及热仿真模型进行参数选择，从而得到最优的参数组合。研制了一台100 W的实验样机，该样机在宽电压输入以及负载变化的情况下，电路具有较好的抗扰稳压效果，并且其输出效率达到93%左右。关键词：四开关Buck-Boost变换器；PLECS软件；热仿真模型；电路参数设计中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）16-0062-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.013Parameter design of fourswitch BuckBoost converter based on PLECS simulationNIE Jinxin，ZHAO Zhibin，YU Shoumiao，HAO Shiyong，ZHANG Yuanfeng（Qingdao Campus，Naval Aviation University，Qingdao 266041，China）Abstract:In order to optimize the parameter design process of four-switch Buck-Boost converter，acircuit parameter design method based on PLECS software is analyzed.On the basis of principle analysis，PLECS simulation software is used to establish open loop，closed loop and thermal simulation models ofthe circuit for parameter selection，so as to obtain the optimal parameter combination.A 100 W prototypewas developed.Under the condition of wide voltage input and load variation，the circuit has a good antidisturbance and voltage regulation effect，and the transmission efficiency reaches about 93%.Keywords:fourswitch BuckBoost converter；PLECS software；thermal simulation model；circuit parameter design-62为 Boost单元的主控功率管，占空比设为 DBo,Q3、Q4同理互补导通。对电路的电感进行分析，由电感的伏秒平衡原理，可得变换器电压的增益G(D)为：G(D)=V2V1=DBu1-DBo（1）当四开关 Buck-Boost变换器的负载为电池时，可实现双向电能变换传输功能，包括正向的充电模式与反向的放电功能，但由于四开关 Buck-Boost变换器以电感为中心具有完全对称性，因此两者的工作模式相近。在实际分析中，往往取电路的一个运行状态进行分析，该文以电路的充电过程为例。当电路处于 Buck 工作模式时，Q1、Q2构成的Buck桥臂组成的Buck单元起着主要开关作用，同时Q3一直处于开通状态下，Q4处于常关断的状态，电路等效为同步Buck电路，电路起到降压的作用。同理电路处于Boost工作模式时，起着主要开关作用的是 Q3、Q4构成的 Boost桥臂组成的 Boost单元，同时Q1常开，Q2常关，电路等效为Boost变换器，处于升压状态。2电路数学模型建立与分析2.1电感电流分析在一个工作周期内，电路由 Buck 模式转换到Boost模式，此时电感的工作状态也随之发生改变，以此为依据，可把电路工作模态分为 T1、T2、T3、T4四个工作阶段。电感电压变化情况如图2所示。在电路的分析中，以电感充电电流方向为正向，根据电感电压与电流的微积分关系可得出当时间处于t0-t1电感流过的电流为：iL=1Lt0t1V1dt=V1L(t1-t0)（2）同理可计算出其余时间段流经电感的电流情况。除此之外，开关管的开通需要一个电感的负电流I05来维持，即当处于零时刻，电感电流为I0。综上，可得出一个工作周期的电感电流表达式为：iL=V1Lt-I0,0tt1V1-V2Lt+V2Lt1-I0,t1tt2V1Lt2+V2L(t1-t)-I0,t2tt3I0,t3tt4（3）电感电流的波形如图2所示。图2电感电压、电流波形图在 Q1的一个开关周期内，设置 Q3的开通时机为D1Q34（通常设置为 0.5），Q1开通的延迟时间与 Q1总开通时间之比为Q3的开通延迟时间比，其值为Q34ks，则有：Q34ks=D1D2Q34（4）式中，D1为 Buck桥臂上管占空比，D2为 Boost桥臂下管占空比。式（5）即为各个工作周期 T1、T2、T3、T4与 Q3的开通时机D1Q34的对应关系。T1=Q34ks/fsT2=D1(1-D1Q34)/fsT3=(1-D2-D1(1-D1Q34)/fsT4=(D2-Q34ks)/fs（5）同时根据能量守恒关系，电感在一个周期内给电感充电的电量等于电容中吸收的电量。电容中在一个周期吸收的能量又全部用于负载放电，在 Q3开启后，电感电流的电量给电容充电，电容再把吸收的电量供给负载，根据上述过程，则有：IsT=(yb+yc)T22+(yc+yd)T32（6）式中，Is为电路的输出电流。在 T3阶段，电感电流的波动引起了电容上电压的变化。根据电容电量公式又有式（7）的关系：ClV2=(yc+yd)/2-Is)T3（7）式中，l表示输出电压的波动系数。聂进新，等基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计-63电子设计工程 2023年第16期综上所述，在设计规格初始标准的基础上，以上述各式作为计算依据来构建 Matlab 参数求解模型，从而求解出电感电容等具体参数值。2.2参数求解模型的建立100 W 充电、放电模式系统设计电路的规格参数如表1所示。表1电路的设计规格表参数名称直流输入电压V1/V直流输出电压V2/V直流输出电流Is/A最大输出功率/W开关频率fs/kHz电压波动系数电流波动系数输出效率指标1545303525020小于5%小于10%90%以上根据上述初始参数，利用 Matlab 软件构建参数求解模型，求解流程即为输入上述初始指标参数，后联立求解方程，求出符合上述技术指标的电感、电容以及电感电流。3电路仿真模型建立与分析3.1PLECS电路开环仿真模型在 PLECS仿真软件中，按照基本的拓扑结构搭建 仿 真 电 路 图。同 时 电 路 输 入 电 压 可 控，四 个MOSFET 开关管都施加有特定生成的 PWM 控制信号，在输出端带有能够自主改变的负载。电路中生成控制 MOSFET 开关管的 PWM 控制信号的方法是模拟比较法，具体是采用具有特定幅值的电压信号与三角波载波信号比较，产生具有一定占空比的 PWM信号控制主控 MOSFET管，再利用取反逻辑控制位于同一桥臂的另一个 MOSFET 管，这样，控制中可调节电压幅值改变占空比。开环仿真电路如图3所示。为了满足更宽负载动态变化的设计要求，设计参数中以重载下的情况为优化重点（理论和仿真中发现，负载越重参数影响越大）。该设计以负载电阻10 为重载，通过改变占空比来确定电感电容的取值，再通过具体的仿真电路观察电路的输出电压情况，这样分析得出的电感电容参数当电路处于轻载状态下时，变换器的输出也能达到设计指标的要求。根据设计规格，当输入的电压为45 V，输出固定为 30 V时，通过 Matlab中的参数求解模型可确定不同的占空比以及电感电容的取值，仿真参数电感、电容的取值如表2所示。表2仿真电感、电容取值表参数DL/HC/F数值0.172.255.80.2288.845.80.3649.735.80.41 20025.80.51 80015.8按照表 2的参数对仿真电路的电感电容进行调整，对电路进行仿真实验后，可得出五组仿真的输出波形。实验仿真输出的电流波形如图 4 所示，图中的横坐标为仿真时间，纵坐标为电感电流的幅值。图4开环电感电流输出波形显然，占空比为0.5时的电感电流脉动量及平均电感电流均为五组中的最小值。占空比越大时，通过参数求解模型所得到的设计电感值也就越大，电感所流经的平均电流也就越小，其电感流动也越趋于平缓，其电感的平均电流也就越小，直流损耗也就越低。图3开环仿真电路总体设计图-643.2PLECS电路闭环仿真模型闭环系统虽然对参数有较强的抗扰能力，但以开环系统设计的参数为基础构建闭环系统，有利于减小闭环系统体积。具体构建过程：保持主电路结构不变，加入输出电压反馈检测及PI控制器。控制器是通过构建实时PI 闭环6-7控制占空比来控制输出电压保持在给定值，保持左桥臂占空比 D1固定为 0.5（与开环相同），仅通过调整右桥臂的下管的占空比D2则能实现升降压调节。同时，右上管的高脉冲起始相位需要延时约 0.5个 D1。利用输出电压与给定值进行实时比较后得差值信号，经过PI计算后，再与三角载波进行比较，输出特定的PWM控制信号，各路PWM控制信号则按一定的相位差分配。通过设置不同的电感及电容值，对闭环系统进行仿真检验，得到波形曲线。在PI闭环条件下，输出电压及电感电流的波动情况却随着两者发生改变，电感值越小，引起电感电流的波动越大；电容值越小，则会导致输出电压的波动值增大。具体仿真结果如图5所示。图5PI闭环对比仿真结果4PLECS热仿真模型PLECS 仿真软件具有完善的热仿真模型库，利用热仿真可以更好地模拟电路在不同参数设置下的工作特性，进行最佳电路参数的选定。四开关电路的热仿真模型8-10是在闭环电路模型的基础上建立的，是对电路运行的损耗11-12与效率进行分析的工具，它由导热模块、监测模块以及效率计算模块三部分组成。导热模块是由散热片、热电阻、热容以及热流检测模块所组成的，其中，散热片是热仿真中的关键部件，在环境温度为 25 的条件下，能够使得热路计算转变成电路计算。导热模块的热仿真模型如图6所示。图6导热模块仿真图监测以及效率计算模块用于计算开关和电感的平均损耗，开关损耗计算的方法是将处于一个开关周期中的损耗相加，同时计算的同时也在下一个开关周期中生成一个平均功率脉冲。具体利用的是Periodic Average 模块与 Periodic Impulse Average 模块。Periodic Average模块可用于计算半导体开关器件的平均传导损耗，Periodic Impulse Average模块适用于计算半导体器件的平均开关损耗。电感的损耗包括电感的直流损耗以及磁芯损耗13，在认为所选电感的材料一致的条件下，磁芯损耗受到电感电压脉动的影响。由于四开关 Buck-Boost变换器中的电感电压是由输入输出电压决定的，因此可忽略磁芯损耗带来的影响，考虑电感的直流损耗。效率计算模块是将损耗去除后的输出功率与之相比后的效率，在不考虑线路损耗的情况下，可等效为电路的变换效率，结果通过一个 Display模块显示。监测以及效率计算模块的模型图如图7所示。图7监测以及效率计算模块聂进新，等基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计-65电子设计工程 2023年第16期利用热仿真模型可对表 2 的参数进行分析处理，监测电路的热损耗及输出效率，对波形结果进行分析，热损耗的结果如图8所示。图8不同参数下的电路损耗分析Display模块显示不同参数下电路输出的效率值，结果如表3所示。表3不同参数下的效率仿真结果参数D数值0.10.370.20.850.30.900.40.930.50.95由上述结果可知，电路的损耗随着占空比的不断增大在逐步减小，同时效率也在逐渐提升，因此实际参数选型时电路的占空比越大越好。但由于在占空比增大时，经过参数求解模型计算后的电感值也随之在不断增大，这样会导致电路体积增大14，不符合高功率密度设计的初衷。因此在实际的电路设计的过程中，通过平衡考虑各种因素，参数设计的具体指标可选定为在同步整流开关管的占空比为 0.5的情况下，电感为2 mH，电容为47 F。5实验样机验证根据上述理论及仿真的基本参数设计，实际制作了一台Buck-Boost实验样机。其中的单片机采用的是 STM32F103ZET6，它具有丰富的 AD、定时器、中断等资源功能15；而桥式电路开关管选用的是 TI公司的 CSD19536型号 MOSFET，其典型漏源电压为100 V，导通电阻为2.3 左右，开关频率高达100 kHz以上；电路驱动芯片采用 ir2104，它的自举升压功能16能够同时控制一个桥臂的上下两管并且自带死区功能，能够降低程序设计的难度。实验是在开关频率为 20 kHz的情况下进行的，此时闭环系统输出电压波形如图 9所示。实验结果表明，经过上述方法设计出来的实验样机，其输出电压仅受开关频率影响，电压的波动符合预期设计的要求，并且其输出效率也达到了 93%，具有高可靠性、高效率的特点。图9输出电压波形图6结论该文以四开关 Buck-Boost变换器为研究对象，以确立最佳的电路参数设计为目标，分析了四开关Buck-Boost变换器的工作原理与工作模式，设计了目标电路的规格指标；通过电感电流分析建立了电路的数学求解模型，依据设计规格计算出电路参数值；仿真中利用 PLECS 软件建立了开环、PI 闭环模型，分析了电感以及电容变化对电路输出以及电感电流的影响；通过建立PLECS热模型，具体直观地对比了参数计算结果的损耗以及输出效率情况，依据实际情况选取了最佳的电路参数值,实际实验样机电路验证参数符合输出效率达到90%的设计要求。参考文献：1 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