Buck-Boost变换器的研究
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南京航空航天大学
硕士学位论文
Buck-Boost变换器的研究
姓名：李宇
申请学位级别：硕士
专业：电机与电器
指导教师：王慧贞
20060201南京航空航天大学硕士学位论文
摘 要
一种新的高可靠性飞机专用电源系统，需要研制一种大功率宽电压输入范
围的DC/DC变换器电源。在充分考虑不同DC/DC变换器拓扑特点的基础上，本
文选用了Buck-Boost作为系统的主电路拓扑。
本文介绍了Buck-Boost电路的工作原理，建立了非理想Buck-Boost平均法的
模型，对整个电路进行了单电压闭环参数设计的研究，实现了控制理论中零极
点补偿法在电力电子中的应用，建立了闭环小信号模型，总结了设计校正网络
的步骤和具体方法。在利用MATLAB设计出校正网络的传递函数后，又在电路
上验证了校正网络参数选择的正确性。接着，本文给出了540W 27-270VDC/28VDC变换器的设计过程，并进行了损耗分析。
为了使系统能够在宽电压输入范围内稳定正常工作，本文实现了提出的变
传递函数系统校正方法在电力电子闭环参数设计中的应用，并与闭环参数设计
方法进行了比较，指出了该方法的优点，并通过仿真和实验验证了该方法的正
确性。
关键字：Buck-Boost，DC/DC变换器，闭环设计，宽电压输入范围，非理想数学
模型
i Buck-Boost变换器的研究
ABSTRACT
DC/DC converter with high power and wide range input voltage was required for
more reliable special aero-power systems. Through comparison of characteristics for
different DC/DC topologies, Buck-Boost converter was selected as main topology of
the power system.
The working principle of Buck-Boost is first introduced, and averaging model of
non-ideal Buck-Boost converter is established. The design details for voltage loop
were given and zero-pole compensation method from classic control theory was
applied to the filed of power electronics. Thus, small-signal model of closed-loop was
established, with detailed design guidelines for correction network. Base on the
above-mentioned analysis and also with the help of MATLAB simulation, transfer
function of the correction network was designed. Then experimental results verify
correctness of the network’s parameters. Besides, the design procedure and power
loss analysis were given for a Buck-Boost converter of 540kW 27-270VDC/28VDC.
By using the correction approach of vary-transfer function for designing
parameter of closed-loop in the area of power electronics, the system could work
reliably under wide range input voltage conditions. Compared with the design method
of closed-loop parameter, the advantages of the correction approach of vary-transfer
function were highlighted and testified by simulation and experimental results.
Keywords: Buck-Boost, DC/DC converter, closed-loop design, wide range input voltage, non-ideal physical model
ii
承诺书
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作者签名： 日 期
南京航空航天大学硕士学位论文
图 清 单 图号 图 题 所在页码
1.1 高可靠性飞机专用电源系统原理框图 2
1.2 宽电压输入范围的变换／调节装置的原理框图 3
1.3 Cuk变换器电路图 3
2.1 Buck-Boost电路图 9
2.2 电感电流连续模态图 9
2.3 电感电流连续模态图 9
2.4 Q导通开关模态下的等效电路图 10
2.5 Q关断开关模态下的等效电路图 10
2.6 Q关断时电感电流降到0开关模态下的等效电路图 10
2.7 0ystDT≤≤的开关等效电路图 14
2.8 ysDTtT≤≤s的开关等效电路图 14
2.9 寄生参数在原支路的等效图 15
2.10 寄生参数在电感支路的等效图 15
2.11 连续工作时的大信号平均模型 16
2.12 连续工作时的 DC 模型 17
2.13 连续工作模式下的小信号模型 18
3.1 开环仿真原理图 25
3.2 27V输入的满载仿真结果图 25
3.3 270V输入的满载仿真结果图 25
3.4 27V满载电路平均法建模的bode图 30
3.5 电压控制的非理想Buck-Boost变换器 32
3.6 PWM比较原理图 33
3.7 单电压环闭环方块图 33
3.8 单电压环非理想Buck-Boost变换器在连续工作的小信号模型 33
3.9 不同输入电压满载下传递函数零极点运动图 ()vdGs35
3.10 输入电压不同负载下传递函数零极点运动图 27inV=V()vdGs36
v Buck-Boost变换器的研究 续上表
图号 图 题 所在页码
3.11 不同输入电压满载下传递函数的幅频和相频曲线 ()vdGs37
3.12 相同输入电压不同负载下传递函数的幅频和相频曲
线 ()vdGs27
3.13 27V输入下不同负载的校正前后的曲线 38
3.14 108V输入下不同负载的校正前后的曲线 39
3.15 189V输入下不同负载的校正前后的曲线 40
3.16 270V输入下不同负载的校正前后的曲线 40
3.17 校正网络电路图 41
3.18 27V输入下不同负载的输出电压和电感电流波形 42
3.19 108V输入下不同负载的输出电压和电感电流波形 43
3.20 189V输入下不同负载的输出电压和电感电流波形 43
3.21 270V输入下不同负载的输出电压和电感电流波形 43
4.1 Buck-Boost不同输入电压下的满载实验波形 48
4.2 Buck-Boost不同输入电压下的效率曲线 49
vi南京航空航天大学硕士学位论文
表 清 单 表号 表 题 所在页码
3.1 2SK1522主要参数 24
3.2 DSEI60-06主要参数 24
3.3 27V和270V仿真结果分析 26
3.4 27V和270V实际最大磁感应强度mB和电流密度J校验 27
3.5 27V寄生参数对变换器特性影响得数据表 28
3.6 不同输入电压满载下传递函数的增益及零极点 ()vdGs34
3.7 输入电压不同负载下传递函数的增益及零
极点 27inV=V()vdGs35
3.8 不同电压和负载的幅值裕度、相角裕度和截止频率 41
4.1 不同输入条件下的损耗分析列表 47
vii Buck-Boost变换器的研究
注 释 表
符号 意 义
DC-DC 直直变换器
Buck 降压式变换器
Boost 升压式变换器
Buck-boost 升降压变换器
Forward 正激变换器
PWM 脉宽调制
MOSFET 场效应晶体管
h 幅值裕度
CCM 电流连续模式
符号 意 义
Bode 波特图
Flyback 反激变换器
Pushpull 推挽变换器
Halfbridge半桥直流变换器
Fullbridge全桥直流变换器
ESR 等效串联电阻
ESL 等效串联电感
γ 相角裕度
DCM 电流断续模式
viii
