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基于蒙特卡罗方法的boost变换器电容的设计,74页摘要电容器是开关变换器的主要组成元件之一，对开关变换器的电气性能指标──输出纹波电压有着决定性影响。但在工程应用中，电容器的实际有效容量往往随着开关频率的提高而减小。因此，电容器的频率特性就成为正确设计开关变换器的关键。本文以boost变换器为研究对象，应用蒙特卡罗方法对大量的实验数据进行统计分析，得出了陶瓷电容...
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内容介绍
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74页
摘要
电容器是开关变换器的主要组成元件之一，对开关变换器的电气性能指标──输出
纹波电压有着决定性影响。但在工程应用中，电容器的实际有效容量往往随着开关频率
的提高而减小。因此，电容器的频率特性就成为正确设计开关变换器的关键。本文以
Boost变换器为研究对象，应用蒙特卡罗方法对大量的实验数据进行统计分析，得出了
陶瓷电容器、铝电解电容器和钽电解电容器的实际有效容量随频率变化的关系曲线及其
电容参数的设计方法。
首先，简单介绍了蒙特卡罗方法以及目前开关变换器输出滤波电容设计中存在的问
题；
其次，总结比较了常用电容器的结构特征和应用范围；分析了Boost变换器的工作
模式及其输出纹波电压；验证了Matlab软件生成的伪随机数的随机性；给出了电容器频
率特性的分析方法及其流程图。
然后，对于给定的电容器，利用Matlab软件生成实验所需的随机数组，记录下每一
组实验的输出纹波电压，依据对应的纹波电压公式计算出电容器的实际有效容量及其与
标称容量的比值；再对得出的数据进行统计分析得出各频率测试点的均值，进一步绘出
了各种电容器的容量与频率的关系曲线，并给出了其数学模型；此外，详细地分析了电
容器的等效电路和重要的寄生参数，如等效串联电阻、等效串联电感、谐振频率、损耗
因数等，从原理上解释了电容器的频率特性。
最后，本文给出了Boost变换器的设计实例。在给定开关频率和输出纹波电压要求
的条件下，根据电容器频率关系曲线和数学模型来计算滤波电容值。实验结果证明了这
种设计方法正确性和可行性。
关键词：蒙特卡罗方法；Boost变换器；输出纹波电压；电容器；频率特性
I
1绪论...................................................................................
1.1课题研究的背景及意义............................................
1.2蒙特卡罗方法的发展历史及其特点........................
1.3开关变换器输出滤波电容的设计方法及存在的问题
1.4课题完成的主要工作................................................
2 BOOST变换器的静态特性及其电容器的选择.............
2.1 BOOST变换器的静态特性分析..................................
2.1.1 Boost变换器的组成和工作原理.........................
2.1.2 Boost变换器的临界电感.....................................
2.1.3 Boost变换器的三种工作模式.............................
2.2 BOOST变换器的输出纹波电压..................................
2.3 BOOST变换器电容器的选择......................................
2.3.1常用电容器的结构特征及应用场合..................
2.3.2电容器的选择......................................................
2.4本章小结....................................................................
3基于BOOST变换器的电容器频率特性研究...............
3.1电容器频率特性的分析方法....................................
3.1.1蒙特卡罗方法的基本思想..................................
3.1.2随机实验数据的生成及其验证..........................
3.1.3电容器频率特性分析方法的主要内容..............
3.2电容器的频率关系曲线及其分析............................
3.2.1铝电解电容器的频率关系曲线..........................
3.2.2三种电容器的频率关系曲线及其比较..............
3.2.3频率f=300kHz时电容器的频率特性分析........
3.3电容器频率特性的数学模型....................................
3.3.1铝电解电容器频率特性的数学模型..................
3.3.2钽电解电容器频率特性的数学模型..................
3.3.3独石电容器频率特性的数学模型......................
3.4寄生参数对电容器性能的影响................................
3.4.1电解电容器的结构特征和等效电路..................
3.4.2等效串联电阻、谐振频率与阻抗频率特性......3.4.3损耗因数与寄生参数对电容器频率特性的影响
3.5本章小结....................................................................
4 BOOST变换器电容的设计.............................................
4.1 BOOST变换器电容的设计方法..................................
4.2 BOOST变换器电容的设计实例..................................
4.2.1开关频率f=20kHz时的设计实例......................
4.2.2开关频率f=200kHz时的设计实例....................
4.3本章小结....................................................................
5结论...................................................................................
5.1结论............................................................................
5.2展望............................................................................
致谢...................................................................................
参考文献...............................................................................
附录...................................................................................
摘要
电容器是开关变换器的主要组成元件之一，对开关变换器的电气性能指标──输出
纹波电压有着决定性影响。但在工程应用中，电容器的实际有效容量往往随着开关频率
的提高而减小。因此，电容器的频率特性就成为正确设计开关变换器的关键。本文以
Boost变换器为研究对象，应用蒙特卡罗方法对大量的实验数据进行统计分析，得出了
陶瓷电容器、铝电解电容器和钽电解电容器的实际有效容量随频率变化的关系曲线及其
电容参数的设计方法。
首先，简单介绍了蒙特卡罗方法以及目前开关变换器输出滤波电容设计中存在的问
题；
其次，总结比较了常用电容器的结构特征和应用范围；分析了Boost变换器的工作
模式及其输出纹波电压；验证了Matlab软件生成的伪随机数的随机性；给出了电容器频
率特性的分析方法及其流程图。
然后，对于给定的电容器，利用Matlab软件生成实验所需的随机数组，记录下每一
组实验的输出纹波电压，依据对应的纹波电压公式计算出电容器的实际有效容量及其与
标称容量的比值；再对得出的数据进行统计分析得出各频率测试点的均值，进一步绘出
了各种电容器的容量与频率的关系曲线，并给出了其数学模型；此外，详细地分析了电
容器的等效电路和重要的寄生参数，如等效串联电阻、等效串联电感、谐振频率、损耗
因数等，从原理上解释了电容器的频率特性。
最后，本文给出了Boost变换器的设计实例。在给定开关频率和输出纹波电压要求
的条件下，根据电容器频率关系曲线和数学模型来计算滤波电容值。实验结果证明了这
种设计方法正确性和可行性。
关键词：蒙特卡罗方法；Boost变换器；输出纹波电压；电容器；频率特性
I
1绪论...................................................................................
1.1课题研究的背景及意义............................................
1.2蒙特卡罗方法的发展历史及其特点........................
1.3开关变换器输出滤波电容的设计方法及存在的问题
1.4课题完成的主要工作................................................
2 BOOST变换器的静态特性及其电容器的选择.............
2.1 BOOST变换器的静态特性分析..................................
2.1.1 Boost变换器的组成和工作原理.........................
2.1.2 Boost变换器的临界电感.....................................
2.1.3 Boost变换器的三种工作模式.............................
2.2 BOOST变换器的输出纹波电压..................................
2.3 BOOST变换器电容器的选择......................................
2.3.1常用电容器的结构特征及应用场合..................
2.3.2电容器的选择......................................................
2.4本章小结....................................................................
3基于BOOST变换器的电容器频率特性研究...............
3.1电容器频率特性的分析方法....................................
3.1.1蒙特卡罗方法的基本思想..................................
3.1.2随机实验数据的生成及其验证..........................
3.1.3电容器频率特性分析方法的主要内容..............
3.2电容器的频率关系曲线及其分析............................
3.2.1铝电解电容器的频率关系曲线..........................
3.2.2三种电容器的频率关系曲线及其比较..............
3.2.3频率f=300kHz时电容器的频率特性分析........
3.3电容器频率特性的数学模型....................................
3.3.1铝电解电容器频率特性的数学模型..................
3.3.2钽电解电容器频率特性的数学模型..................
3.3.3独石电容器频率特性的数学模型......................
3.4寄生参数对电容器性能的影响................................
3.4.1电解电容器的结构特征和等效电路..................
3.4.2等效串联电阻、谐振频率与阻抗频率特性......3.4.3损耗因数与寄生参数对电容器频率特性的影响
3.5本章小结....................................................................
4 BOOST变换器电容的设计.............................................
4.1 BOOST变换器电容的设计方法..................................
4.2 BOOST变换器电容的设计实例..................................
4.2.1开关频率f=20kHz时的设计实例......................
4.2.2开关频率f=200kHz时的设计实例....................
4.3本章小结....................................................................
5结论...................................................................................
5.1结论............................................................................
5.2展望............................................................................
致谢...................................................................................
参考文献...............................................................................
附录...................................................................................
