基于Buck电路的DCDC变换器反馈控制设计研究.pdf

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1、基于Buck电路的DC/DC变换器反馈控制设计研究信息072硕屠黎俊2070885摘要：本文主要对Buck电路的DC/DC变换器的反馈控制系统的设计与研究，并用MATLAB语言工具对其进行仿真。从而，对Buck电路及变换器的原理结构有够深入的了解。关键字：Buck，DC/DC变换器，反馈控制，仿真1引言直流变换技术(亦称直流斩波技术)，作为电力电子技术领域中非常活跃的一个分支，在近几十年里，得到了长足的发展。随着电动牵引技术的发展，特别是电子信息类产品的大量涌现，直流变换技术已广泛应用于生产、生活的各个领域。大到地铁列车、无轨电车，小到移动电话、MP3播放器，都离不开直流

2、变换技术。直流变换技术之所以得到广泛的应用，除了因为由此原理制造的电源适配器具有高效率，高功率密度和高可靠性优点外，它还具有体积小、重量轻等许多显著的特点。在电力电子系统的研究中，仿真研究由于其高效、高精度及高的经济性与可靠性而得到大量应用。近二十年来，仿真已逐渐成为电力电子技术研究的有力工具。MATLAB语言的强大仿真功能和方便性受到广大使用者的广泛爱好。本文对基于Buck的DC/DC变换器电路进行简单的介绍，应用MATLAB进行建模和仿真，分析反馈控制网路设计以及采用不同参数的PID调节器对系统进行校正。2Buck变换器的工作原理Buck变换器电路图，如图2-1所示。

3、Eg为输入电源；V为门极可关断晶体管(简称：可关断晶体管)GTO；Ds、Ls、Cs串联支路与V并联，成可关断晶体管GTO的缓冲回路；VD为续流二极管；L、R串联支路为负载；脉冲发生器输出可关断晶体管GTO的控制脉冲。LsDsCsIoVUgLEg脉冲发生器UdVDUoR图2-1Buck电路1当作用于可关断晶体管V上的脉冲为“正”时，V管导通，Ud加在VD两端，VD反偏截止，此时加在负载两端的电压Uo等于Ud，并持续t1时间，如图2所示。在V管导通的t1时间内，流过负载的电流io是电感电流，呈直线上升，按直线规律从iomin上升到iomax。当脉冲为“零”时，V关断，由于电感

4、原有电流流过，存储了能量，要通过负载R和VD释放，此时VD导通Uo为零，并持续t2时间，如图2-2所示。在V管关断的t2时间内，电感两端电压为负，io呈直线下降，按直线规律从iomax下降到iomin。Ugt1t2UotUdIotIomaxIomint图2-2Buck电路工作波形Buck变换器输出电压的平均值Uo等于kUd，即Uo与k值成正比，k从0变到1，输出电压从0变到Ud。由于k总是一个不大于1的值，输出电压最大值不会超过输入电压Ud,即Buck变换器电路是降压电路。3DC/DC变换器反馈控制系统电力电子系统一般由电力电子变换器、PWM调制器、驱动电路、反馈控制单元

5、构成，如图3-1所示。由控制理论的知识，电力电子系统的静态和动态性能的好坏与反馈控制设计密切相关。在经典自动控制理论中，需获得电力电子变化器和PWM调制器的传递函数。有了传递函数，就可以用频率特性法或根轨迹图法来设计反馈控制网路的设计。电源电力电子变换器负载驱动电路PWM调制器反馈控制器图3-1电力电子系统图3-2所示为DC/DC变换器的反馈控制系统系，由BuckDC/DC变换器、PWM调制器、功率器件、补偿网路等单元组成。2LVg(t)CRV(t)驱动器补偿网路δ(t)PWM调制器VcG(s)V电压参考值Vrefδ(t)Vc(t)0dTsTst0t图3-2DC/DC变换

6、器反馈控制系统本文用于计算仿真的BuckDC/DC变换器反馈控制系统电路如图3-3所示，电路工作在CCM方式，参数如下：输入电压Vg=48V，输出电压V=12V，滤波电感L=0.1mH，滤波电容C=500µF，负载电阻R=1Ω，反馈电阻Rx=100KΩ，Ry=100KΩ。开关频率fs=100KHz。PWM调制器锯齿波幅度Vm=2.5V，参考电压Vref=6V。LVgSVDCRVC2C1驱动器δ(t)C3RxR2R3R1Ry图3-3BuckDC/DC变换器反馈控制系统电路3.1闭环控制与稳定性对于稳定系统，特征方程的根都在s平面的左半平面，或者说是闭环传递函数的极点都在s平

7、面的左半平面。由于开环传递函数包含了闭环极点的全部信息，因此可以通过分析开环传递函数的特性来把握闭环系统的稳定性。稳定性可分为绝对稳定性和相对稳定性，都可以通过开环传递函数的相位裕量或增益裕量来进行判断。对于绝对稳定性，3如果增益裕量小于0dB、或相位裕量为负值，则表示系统是不稳定的。对于相对稳定性，在增益裕量大于0dB的前提下，一般增益裕量大的相对稳定性较好，；有时需要用相位裕量一起进行判断，相位裕量较大的相对稳定性较好。相对稳定性好的系统，其超调量较小，调节时间较短。通常选择相位裕量在45度左右，增益裕量在10dB左右。一