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Buck变换器的建模与仿真

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装备应用与研'♦ Zhu/ngbei Yingyong yu YanjiuBuck变换器的建模与仿真施媛媛 蒋 伟 周世豪 王一林(扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州225127)摘 要:Buck变换器作为DC/DC变换器中最为典型的拓扑结构，引申发展出了很多种类的变换器。对Buck变换器进行建模与仿 真，有利于更好地研究其他种类的DC/DC变换器。利用小信号分析法计算电路的传递函数,并利用LTspice验证理论计算的传递函数， 最终釆用type-3型PI控制器，对电路进行闭环控制。关键词：Buck变换器;传递函数；闭控制0引言学 的 发展，现代电力电 了大发展，其中Buck变换器 DC/DC变换器中最为典型的拓 扑结构，引申发展出了很多种类的变换器，对Buck变换器进 行建模与仿真，有利于更好地研究其他种类的DC/DC变换器。 1电压控制型Buck变换器完整的Buck变换器包括功率电路以及控制电路部分，单 电 Buck变换器模型 1 ° Buck变换器的功率电路部分 电S #电$(电 生电％)、电容C(电 电阻Q以 电R组成，计数 1 。电控制和电控制 变换器的控制 ， 于电控制，电控制 更 ，用 Buck变换器中能 电路。 采用电控制 ，对输出电采 闭，采 出电， 出电与， PI 器生成调制， PWM制 控制信号&来控制 S的表1设计参数输入电 压％/V输出电 压！/V电电电 阻 %1/m"电C/^F电电r*/m"电开关频率 yi/kHz穿越频率"kHz3614220161001501.54722 Buck变换器建模2.1主电路建模为了更好地计控制部分PI调节器的数，需先分析主 电路的传递函数，主电路传递函数的建立一有均法 法[1]° 一 周T内，对电路中的电压以 电 :用 数作为 控源 数:电路的大信号 数电路:并 小信号:建 小 信号模型。以用小信号分析法 对出电的传递函数 传递函数以 出阻抗传递函数，并在LTspice中建 电路，进行仿真验证。Buck变换器中 有2个状态，即S导通和S截止，其对应的状态方程如下所示："导通时：$-d)+ +)L* %L=!in"!o d*(1)"截止时：+ 学+)l&l=-!> d*(2)S导通时等效电路和S截止时等效电路分别如图2、图3所示。图2 S导通时等效电路--------__+尸入 丿「一“ r图3 S截止时等效电路根据 模型，一个周 时为DT，止时 为(1-#)(, (1)(2)权 ， 一个周内的 程为：+学+)+&+=#(!”-!。)-(1-#)!。=#!”-!。 (3)将上式加入小信号扰动：+ (++) + (+!) &l=(D+d) (!”+!) - (!。+!) (4)式中：)+、,、！、！分别为电感电流、占空比、输入电压、输出电 的小信号。忽略小信号与小信号的乘积可得：+孚+!&l=d・ ！+,!”- ! (5)根据Buck电路的KCL方程以及KVL方程可得：

28Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu♦装备应用与研究 |化简可得：!l+"cC 4tl=# %， (7)d$ d$ R上式加入扰动小信号：!L+!+"cC *&(!)=c 戒)+ (8)L L c d$ dt R化简可得：!+也4!=#学+! (9)dt dt R2.2控制电路建模一个良好控制系统的设计可以显著提高电力电子装置性能 和品质，电力电子系统建模和控制器的设计是电力电子系统 设计的重要基础［2］。Buck变换器控制部分流程图如图4所示，根 据传递函数及建模参数,选取控制对输出的传递函数'd(S)进 行校正，设计控制器，得到系统未补偿时的伯德图如图5所示。图4 Buck变换器控制部分流程图观察图5可得，其中穿越频率为5 kHz，不满足控制要,据 65。，穿越频 2 kHz，进行电补偿，设计type-3 PI控制器，根据电压反馈补偿基 (1 +匚 %- s %+$ $］+$ $,+0 +0 \ +p1 丿 \ +p2 /合实际电路设计参数设计PI控制器参数为G ()= ——~2；$300八_ZmX*1 000丿，将PI控制器加入 电路进 S11+2“X4 000 $1+2^X20 000 )行校正，可得到校正后系统的伯德图如6所示，观察图6 :难 出，校正 系统基 穿越频 2 kHz 65。的控制要。3 Buck变换器仿真验证根据小信号扰动模型设计出的控制电，合 动电 流电 电 和其 部分 ， 能 得电的性能 要［3］。 动 输出电 ，主电ap'^w-40-60-80-100-120。、皐 o o o O 0 12 3 『 T T T10 mHz 100 mHz 1 Hz频率图6补偿后系统伯德图路采用软启动，给定参考电压从0V缓慢启动到给定值，电压 电 电，时 数RC,设 4=s。考虑到实际电中 动的， 的入出电 ， 时 入出的，行20 ms时，负载由100%切换至50%，再经20 =s后，负载由 50%切换至100%，在负载切入切出时，输出电压产生了尖峰,PI ， 输出 14 V， 输出电如图7所示。0 6 12 18 24 30 36 42 48 54f/ms图7切换负载时输出电压波形4结语对电 Buck变换器进行了建模 ， LTspice中进行 得到系统的伯德图 对 对输出的传递函数进行PI ， 时 的切入出,系统 能 到［参考文献］［1］ 王秀琴，荣军，段丹.基于MATLAB的Buck DC/DC变换器的仿真［J］.电子 ,2014(5):5-7.［2］ 徐德鸿.电力电子系统建模及控制［M］.北京：机械工业岀版 社,2006.［3］ 万山明，吴芳•开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设 计［J］.电源技术应用,2004 (3) : 142-145.收稿日期：2020-09#22作者简介：施媛媛(1999—)，女，江苏宿迁人，研究方向：电气 工程及其自动化。机电信息2020年第29期总第635期

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Buck-Boost变换器的设计与仿真

Buck-Boost变换器的设计与仿真

Buck/Boost变换器的设计与仿真

1 1 概述

直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。其中，直接直流变流电路又叫斩波电路，它包括降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper)、升降压斩波电路（Buck/Boost）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路共六种基本斩波电路。Buck/Boost升降压斩波电路同时具有Buck斩波电路和Boost斩波电路的特点，能对直流电直接进行降压或者升压变换，应用广泛。本文将对Buck/Boost升降压斩波电路进行详细的分析。

Buck/Boost变换器的设计与仿真

2 VEULCUOVi1i2iLRVDLVEULCUOVi1i2iLRVDLVEULCUOVi1i2iLRVDL2 主电路拓扑和控制方式

2.1 Buck/Boost主电路的构成

Buck/Boost变换器的主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也由开关管、二极管、电感、电容等构成，如图1所示。与Buck和Boost不同的是电感L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极性相反。开关管也采用PWM控制方式。Buck/Boost变换器也由电感电流连续和断续两种工作方式，但在实际应用中，往往要求电流不断续，即电流连续，当电路中电感值足够大时，就能使得电路工作在电流连续的状态下。因此为了分析方便，现假设电感足够大，则在一个周期内电流连续。

图2-1 Buck/Boost主电路结构图

电流连续时有两个开关模态，即V导通时的模态1，等效电路见图2（a）；V关断时的模态2，等效电路见图2（b）。

（a）V导通

（b）V关断，VD续流

图2-2 Buck/Boost不同模态等效电路Buck/Boost变换器的设计与仿真

BUCK变换器的建模和仿真研究

BUCK变换器的建模和仿真研究

２０１０年第６期　（总第１３０期）　大众科技　ＤＡＺＨｏＮＧ　ＫＥ　Ｊ　Ｎｏ．６。２０１０　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　３０）　ＢＵＣＫ变换器的建模和仿真研究　杨亚泽余明杨　（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙４１００７５）　【摘要】ＤＣ—ＤＣ开关变换电路是一个时变的、强非线性的动态系统，它的分析与设计一直是一个难题。目前对变换器　进行建模与分析最常用的方法是状态空间平均法。等效小参量法是近十多年来才发展起来的求解强非线性高阶系统的一种精度　高、分析过程简单的符号分析法。文章以典型的ＢＵＣＫ变换器为例，对两种建模方法得到的数学模型进行建模和仿真，分析各　自的优缺点。　【关键词】状态空间平均法；等效小参量法；ＢＵＣＫ变换器；ＭＡＴＬＡＢ　【中图分类号】ＴＮ７０２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００８—１１５１（２０１０）０６—００３７—０２　（一）引言　目前对开关变换器的分析方法有很多，常见的是Ｒ．Ｄ．　Ｍｉｄｄｌｅｂｒｏｏｋ提出了状态空间平均法，还有丘水生提出的等效　小参量法等。本文以典型降压（Ｂｕｃｋ）开关变换器为例，用　两种方法进行建模，并对分析的结果采用Ｍａｔ１ａｂ进行仿真，　说明这两种方法的有效性和可行性以及各自的优缺点。　（二）Ｂｕｃｋ电路的开关过程分析　ＢＵＣＫ　ＤＣ—Ｄｃ变换器由功率开关Ｓ、储能电感Ｌ、续流二　极管Ｄ、滤波电容Ｃ、负载电阻Ｒ和输入电压ｖ组成。对于工　作在连续导电模式的ＰＷＭ开关变换器来说一个开关周期有两　个拓扑（图１）：　

（ａ）Ｂｕｃｋ　Ｄｃ—Ｄｃ变换器电路图　（ｂ）工作状态１　（Ｃ）工作状态２　图１　Ｂｕｃｋ　ＤＣ—ＤＣ变换器工作过程　（三）Ｂｕｃｋ变换器的建模和设计方法　１．状态空间平均法　对于图１电路，取电感电流ｉ，电容电压为Ｖ该变换器的　状态变量，　：【‘　】　，系统输出的电压为“。。设系统的输入　电压　保持不变，Ｂｕｃｋ电路工作在ＣＣＭ模式下，当开关管导　通时，列出电路方程并写成状态方程与输出方程的形式：　Ｊ　＝４　＋　Ｈｓ　Ｉ“０＝Ｃ，ｘ　其中４　［０一－１／Ｌ　ｊ］１／Ｃ　１／ＲＣ’且　［“０　］’Ｇ　［０　１］。　Ｉ　—　Ｉ　ｌ　Ｉ　同理，当开关管关断时，可列出以下方程：　Ｊ　＝　ｘ＋　“　Ｉ“Ｄ＝Ｇｘ　（１）　

(完整word版)Buck变换器的设计与仿真

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- 0 - 目 录

1 Buck变换器技术 ........................................................................................................................... - 1 -

1.1 Buck变换器基本工作原理 ............................................................................................... - 1 -

1.2 Buck变换器工作模态分析 ............................................................................................... - 2 -

1。3 Buck变化器外特性 ........................................................................................................ - 3 -

2 Buck变换器参数设计 .................................................................................................................. - 5 -

2.1 Buck变换器性能指标 ....................................................................................................... - 5 -

2。2 Buck变换器主电路设计 ................................................................................................ - 5 -

高频同步整流BUCK变换器的设计与仿真设计word版

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