Boost变换器系统建模及其控制.ppt

DCM Buck-Boost变换器的建模与控制设计方露;党幼云;康朋飞【摘要】DC converter has the characteristics of nonlinear and multimodal .The model building of Buck-Boost converter is the key to design its closed-loop control system. The reliable output voltage and perfect dynamic characteristic of the Buck-Boost converter was greatly influenced by it. The AC small signal model is build on the basis of Buck-Boost converter's average switch model. Then get the transfer function of system. The voltage loop was also designed based on it. The design details for voltage loop were given and zero-pole compensation method from classic control theory was applied to the field of power electronics. The design of closed-loop control system and the model were verified through the analysis of the result of simulation in MATLAB software.%直流变换器一般具有非线性、多模态等特点。

7.3.1电流模式控制Boost 变换器在DC-DC 开关变换器的混沌状态研究中，电流模式控制Boost 变换器是一重要研究对象[90,122,123]，其基本电路框图如图7-1所示，根据开关管G 的状态不同，Boost 变换器的电路拓扑也发生变化，假定变换器工作于连续导通模式，则有两种电路拓扑分别对应开关管G 的两个状态，其微分方程描述为：⎩⎨⎧+=+=截止导通G E B x A x G E B x A x off off on on （7-5） 其中x 为状态矢量，即x=[I L ，V o ]T ，系数矩阵分别为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=01,111001,1000L B RC C L A L B RC A off off on on （7-6） 设时钟脉冲开始后开关管G 是导通的，则电感电流I L 线性增加，当I L 增加至峰值参考电流I ref *时，触发器复位，开关管G 截止，这期间到来的时钟脉冲均被忽略，然后电感L 与Boost 变换器的RC 输出部分产生谐振，电感电流I L 谐振下降，直至下一个时钟脉冲到来后再次使开关管G 导通，图7-2就是电感电流I L 的一种典型波形。

微分方程式（7-5）的解可由解析的方法得到，也可由数值仿真的方法得到，在本文中则选择数值仿真的方法，即以式（7-5）来构造Matlab 下的分段开关模型，并用龙格-库塔（Runge-Kutta ）算法来进行仿真。

根据文献[90,122,123]，电路参数取为：E =10V ，L =1mH ，C =12μF ，R =20Ω，I ref *=0.6A ~5.5A ，驱动时钟是频率f s 为10kHz 的脉冲波。

以精确电路模型（7-5）式进行仿真，基于§5.2频闪映射的概念，取每个开关周期初始时的电路状态变量构成庞加莱截面，可得Boost 变换器在峰值参考电流I ref *的变化区间上的分叉图，如图7-3所示，可见这是一个典型的倍周期分叉过程，而在I ref *≈4.79A 之后，出现了以3周期为起始的倍周期分叉。

概要» 2•设计要求• 2.LC参数的设计» 3•小信号模型的建立拿4.串联超前滞后补偿网络的设计♦ PSIM中对电路波形的仿真oost变换器电路参数设计要求♦ 1. 1技术指标*输入电压：V=500v 输出电压：V= 700v*开关频率：50kHz«额定功率：10.5kw亿”2 G •心心Boost 变换器系统电路图结构Boost 变换器的负反馈控制系统传递函数图其中4(、为占空比至输出的传递函数,6(•为PWM 脉宽调制器的传递函数. 表希反備通路的传递函数， 为补偿网络的传递函数。

其中 为未加补偿网络时的回路增益函数，称之为原始回路增益函数Q3为待设计的补偿网络函数LC 参数的选取*田已知可得：输岀额定电流:/<)= A =j°lr 10 =i54% --* 占空比：D=1-^ =2.857 &严伫= 46.6670 ♦求解临界电感 ° *♦当变换器工作在临界状态时，其电感电流波形如图所示:V -匕VV」_■- 7)7；=』(1 一 /刀 7； =2/° = 2」LLRI =匕 Q(1 — OF c _ ~~27^.计算得 Q= 0.068mH 选取 厶竝选L=0.08mH电容值的选取•二极管关闭时，电容向负载提供直流电流,7(X)*田此，得出临界电感值如下:•二极管开通，同时向电容以及负载提供 ・电流，电容充放电荷量相同。

AV =也==比。

7,° C C RC取纹波z\V ；)vl2V •临界电容由公式得1)X1。

A X AV0,2857x1550x10*12= 7」“F•在此选U >£・C = 9pF2Boost 变涣殊临界状态电感电流波形• Boost变换器的平均开关网络模型首先对开关元件的电压或电流变星在一个开关周期内求平均.得到等效的平均参数电路。

从而消除了开关波纹的影响，但此时仍然是一个非线性电路，这样的电路由于同时包含了直流分量与交流分量的作用, 成为大信号等效电路:其次将各平均变量表达为对应的直流分量与交流小信号分量之和，消去直流分量后即可得到只含有小倍号分量的表达式，达到分离小佶号的目的；最后对只含小信号分量的表达式作线性化处理，从而将非线性系统在直流工作点附近近似为线性系统.为线性系统的各种分析与设计方法的应用做好准备"开关周期平均算子的定义:1 r $乜<x(t) >T s = —[ X{T\1T_ |•式中・X (『是DC/DC 变换器中某电®：7；为开关周期。

Boost变换器仿真分析小组成员:*** ***oost变换器仿真分析•Boost变换器简介•Boost变换器原理与分析•Boost变换器的Matlab建模与仿真•Boost变换器的仿真结果分析oost变换器简介Boost变换為足一种输出电压I常于输入电压的甲•符不隔肉」T 流变换器，在直流电压变换领域应用广泛。

Boost变换器中电感L在输入侧.称为升斥电感，开关管T仍为PWM控制方式,和Buck变换器-样，Boost变换器也有电感电流连续和断流陶种I.作方式。

为电感电流连续时.Boost变换»存在两种开关状态:（1）T导通.D截止•电感储能：（2） T载11 •” D导通.电源和电感的储能向电容和负载转移。

当电感电流断流时.Boost变换益还有第三种开关状态：T和D都截1上・电感电流为零，负技仃澹波电容供电。

oost变换器原理与分析图1 Boost变换器的匸电路图oost变换器原理与分析1.工作(1)开关模念1在t・0时.开关管Q甘通■电源电压Vin全部加到升压电感LLL.电感电渝ILf 线件増长.二极但D戏|匕负找由滤波电容Cf供电。

—z it=Tonihf t ILf达到址大值ILf (max) • 4Q导通期间■ ILf的増长朮为:Boost变换器原理与分析(2)开关模态2在"Ton时刻.Q关肛ILf通过WHD向输出側流。

，电源功率和电感Lf的储能向负裁和电容Cf转移.给Cf充电.此时加在Lf上的电压为Vin-Vo.因为Vo>Vin, 故ILf线性减小°^t=Ts时.ILf达到瑕小ftllLf (min) • AQttiE期间.ILf的减小呈小L foost变换器原理与分析(3)开关模态3 (仅在电潦断续时有)fl t=ToffiiJ. QfUD均餞11八住此期间.ILf保持为零.如戟由输出滤汲| T「2 •输入输出迫压比⑴电流连续时(2)电流斷续时oost变换器的Matlab建模与仿真T・ W4A9OMC2N2 Boost变换器的Matlab模型图oost 变换器的Matlab 建模与仿真参放设为：输入N 流电压* 20V 输入側电感，10mH 脉冲周期：0.2ms 脉冲片空比：50%输出滤波电容:100uF 负载电阻:1000Qoost 变换器的仿真结果分析 图3 IBGT屮电流oost变换器的仿真结果分析03 0 04 0 06 0 06 0 1 0 12 0 14 I 16 0 18 0 2图3 IBGT中电压oost变换器的仿真结果分析图3输出电压。

升压式(Boost)电路
图为升压式变换器，它由功率晶体管V1、储能电感L、二极管V2及滤波电容C组成。

当晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。

当V1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。

这样把低压直流变换成高压直流。

其输出电压平均值将超过电源电压Ud其电路的工作波形如图(c)所示。

在电感电流连续的条件下，电路工作于图（b）所示的两种状态。

电流断续状态下Boost变换器建模与仿真Ξ王传芳,齐　蓉(西北工业大学自动化学院,西安710072)摘要:为了辅助升压变换器(Boo st变换器)在应用中的设计,分析了电流断续状态下Boo st变换器的工作过程,建立了这种状态下的Boo st变换器非线性数学模型,在结合二进制逻辑变量,建立了Si m ulink模块下的变换器仿真模型,研究表明仿真结果与理论分析结果一致,证实了模型的准确性和可行性,这种逻辑与模拟结合的简明通用的模型可以高效辅助Boo st电路设计并为参数优选打下了基础。

关键词:电流断续状态;升压变换器;仿真中图分类号:TM56 文献标识码:A 文章编号:100328930(2007)0320088203M odel i ng and Si m ula tion of Boost Converter W ork i ngi n D iscon ti nuous Curren t M odeW AN G Chuan2fang,Q I Rong(Schoo l of A u tom ati on,N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity,X i’an710072,Ch ina)Abstract:In o rder to assist Boo st converter design,the w o rk ing p rocess of the converter at discontinuous current mode w as analyzed and a nonlinear m athem atical model w as estabilished as w ell.Case study on M atlab Si m ulink w as perfo r m ed w ith binary logical variable used,the si m ulati on result w as consistent w ith the theo retical analysis w h ich p roveed the validitd and feasibility of the p ropo sed model.T he model could be used to assist Boo st circuit design effectively and supp lie a basis fo r param eter op ti m izati on.Key words:discontinuous current mode(DC M);Boo st converter;si m ulati on1　前言 Boo st变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型稳压器,在众多类型的变换器中是一种电路简单控制效果好,有着广阔发展前途的变换器。