500W Buck/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
L f 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。
Q
D LD
R
+
-
V in L f
C f
V o
+
-
+
图 1-1 主电路
V be
t on
T t
i LF
i Lfmax
I LF
i Lfmin
t
i Q
i Lfmax
i Lfmin
t
i D
i
Lfmax
i Lfmin
t
V Lf
V in
V o
t
图 1-2 电感电流连续工作波形
Q
D
R LD
Q
D
R LD
+
-
+
-
C f
C f V in
L f
i Lf
L f
+
V o V in i Lf
+
V o
-
+
-
+
(a) Q 导通
(b) Q 关断， D 续流
图 1-3 Buck/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~t on]：
t=0 时， Q 导通，电源电压V in加载电感 L f上，电感电流线性增长，二极管 D 戒指，负载电流由电容 C f提供：
di L f
L f dt V
in (2-1)
I o V o
(2-2) R LD
C f dV o I o (2-3)
dt
t=t on时，电感电流增加到最大值i L max，Q关断。在Q导通期间电感电流增加量i L
f
i
L f V in D y T (2-4)
L f
在开关模态 2[t on ~ T]:
t=t on时， Q 关断， D 续流，电感 L f贮能转为负载功率并给电容C f充电，i L f在输出电压Vo 作用下下降：
di L f
(2-5)
L f dt V o
i L f C f dV o I o C f dV o V o (2-6)
dt dt R LD
t=T 时，i L f见到最小值i
L min ，在 t on ~ T 期间i L f 减小量
i
L f
为：
i
L f V o
t
off
V
o (1 D y )T (2-7) L f L f
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 L f 贮能的过程，第二个是电感能量向负载和电容C f转移的
过程。
稳态工作时， Q 导通期间i L的增长量应等于Q 关断期间i L 的减小量，或作用在电感
f f
L f上电压的伏秒面积为零，有：
V o D y
(2-8) V in1D y
由(2-8)式，若 D y=0.5，则 V o=V in；若 D y<0.5，则 V o
I i D y I o
(2-9)
1 D y
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
U
ce
U D
V
in
V o V in
V o (2-10)
1
D y
D y
由图 1-2 可见，电感电流平均值 i
L f 等于 Q 和 D 导通期间流过的电流平均值 I Q 和 I D 之
和，即：
i
L f i L max i
L min I Q
I D
(2-11)
2
i L
f i L
i L
V
in
D y
(2-12)
max
min
L f f
负载电流 I o 等于流过二极管 D 电流的平均值 I D ，即在 t=t on ~ T 期间电感电流的平均值
I o
V o I L f (1 D y )
(2-13)
R LD
I
in
I L f
D
y
(2-14)
电感电流最大值 i L f max 和最小值 i L f min 为：
i
L f max
I
L f
1 i
L f
I
L f
V in D y (2-15)
2
2L f f
i L
f min
I L f
1 i L
f
I L f
V
in
D y (2-16)
2 2L f
f
开关管 Q 和二极管 D 电流的最大值 i Q max 、 i
D max 等于电感电流最大值i L f max
i
Q max
i
D max
i
L f max
I
L f
1
i
L f
I o V o (1 D y )
(2-17)
1
D y
2L f f
2
Q 导通期间，电容 C f 电压的变化量即输出电压脉动
V o 由 Q 导通期间 C f 放电量
Q C f I o
D y T
计算，因 Q
C
f
C f
V o ，故
V o
I o D y
(2-18)
C f f
三、实验参数计算
Buck/Boost 变换器设计指标为：(1) 输入电压V in：直流 100V; (2) 输出电压 V o：直流48V; (3) 输出功率P o： 500W 。（48.5152+47.4988 ） /2=48.0070
设定 IGBT 的开关频率f为 100kHz ，电感电流纹波i L f为电感电流平均值I L f的5%，输出电压纹波V o为输出电压 V o的2%。
输出端电阻为：
V o2
R LD 4.608
P o
输出端电流为：
V o
I o10.42 A（10.5468+10.3258）/2=10.4363
R
LD
由式 (2-8)得占空比为：
V o
D y0.3240.3266
V
o V
in
由式 (2-9)得输入电流为：
I
in I o
D y
5.0 A 1 D y
由式 (2-10) 得开关管 Q 截止时承受电压，二极管 D 截止时承受电压为：
V o
U ce148V
D y
由式 (2-14) 得电感电流平均值为：
I L f I in
15.42 A （16.501+15.7229 ） /2= 16.112
D y
电感电流和输出电压纹波分别为：
i L f 5% I
L f 0.77 A 0.7781
V o 2% V o 0.96V 48.5152-47.4988=1.0164 由式 (2-15) 和 (2-16) 得电感电流最大值和最小值分别为：
i
L f max I
L f 1
i
L f 15.80A
2
i
L f min I
L f 1
i
L f 15.03A
2
16.5019
15.7229
由式 (2-17) 得通过开关管Q 和二极管 D 的电流最大值为：
1
i
Q max i
D max
i L
f max
I
L f
i
L f
15.80A 16.5019
2
由式 (2-12) 得电感大小为：
L f
V
in
D y 0.42mH
i
L f
f
由式 (2-18) 得电容大小为：
C f
I o D y 35.19 F 36
V o
f
四、实验器件的选择
开关管 Q ：开关频率 100kHz ，截止时承受电压 148V ，流过最大电流 16.50A 。
二极管 D ：截止时承受电压
148V ，流过最大电流 16.50A 。
电感 L f ：大小 0.42mH ，流过电流最大值 16.50A 。 电容 C f ：大小 36 F ，承受电压最大值 48.52V 。 电阻 R LD ：大小 4.6
。
五、 simulink 仿真电路
Continuous
powergui
is1
Diode
iR
iR 1
g
i iD2
i
i
E
+
+
+
-
-
-
C
is2
IGBT
+ iD
iL 1
i -
vs
C
100 V
+
iL
36 uF
R 4.6
v
-
Pulse
L
V
uR
T =10 e-6 32.66
%
0.42 mH