BUCK_BOOST仿真分析报告

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1、.专业整理 .BUCK-BOOST 转换器仿真分析摘要 ：本课题利用电感电压平均近似和电容电流平均近似的方法，建立连续模式(CCM) 下电压控制型BUCK/BOOST 结构 DC/DC 转换器的线性模型，实现非线性向线性模型的转化，得到由控制到输出的传递函数；在此基础上利用Matlab工具对不同补偿网路的频域特性进行仿真，并对仿真结果进行分析。关键词： BUCK/BOOST； DC/DC 转换器； MATLAB 仿真；频域特性BUCK-BOOSTCONVERTER SIMULATION ANALYSISAbstract:This projectuses theinductorvoltagean

2、dcapacitorcurrentaverageapproximateaverageapproximationmethod,builda continuousmode(CCM), undervoltage-controlledBUCK /BOOSTstructureDC / DC converterlinearmodel,to achievenon-lineartransformationto thelinearmodelobtained from the control to output transfer function; on the basis of compensation for

3、 the use of Matlabtools for different networks frequency domain simulation, and analysis of simulation results.Keywords: BUCK / BOOST; DC / DC converter; MATLAB simulation; frequency domain中图分类号 ：TM712文献标识 ： B文章编号 ：结构 DC/DC 转换器的仿真电路 ，建立其线0 引言性模型 ，得到由控制到输出的传递函数，对系统进行补偿 ，使系统的稳定性达到最优。开关电源转换器是现代电路理论的重要并

4、进行仿真分析，调整电路结构、元件参数研究对象。作为一种非线性系统，和仿真参数 ，以期得到理想效果。BUCK/BOOST 结构 DC/DC 转换器的控制方式主要有电压和电流控制两种。利用 MATLAB 的 Simulink环境 ，搭建连续模式 (CCM) 下电压控制型BUCK/BOOST.学习帮手 .专业整理 .1 BUCK-BOOST 转换器的原理和典型电路1.1 主要技术指标开关频率fs =100kHZ功率 100W输入电压 U d =200V输出电压150V输出电压峰峰值1.5V电阻 50输出电流为3A输出电流峰峰值0.3A1.2 电路参数计算电感 L 的计算按电感电流连续选取电感ILv(

5、t ) T2offLmin（ 1-1 ）I LToffI 0T（ 1-2 ）由方程 （ 1-1 ）和（ 1-2 ）可得VToff2Lmin2I 0T=150( 410 5)2710 58105H23L 1.3Lmin10.4 10 5 H按输出电流的峰峰值选取电感I LU d DTs由公式L得U d DTs200 310 5L7I L=0.30.0029H所以我们选择L =0.0029H.学习帮手 .专业整理 .电容 C 的计算通过电容的电流为1I 0iC (t)dv(t)v(t )DTsCU ci cdtDTsdtR由公式C0C得（2-2 ）I 0DTs3310 5tdTs , tTs ，开

6、关在位置 276C8.571在阶段 2，即U c15010 F1%时，电感两端的电压为vL (t)di (t )v(t )L一般来说 ，按允许纹波电流计算出的输出滤dt（2-3 ）波电容器的容量大约是按纹波电压计算出的通过电容的电流为容量的 7 倍多 ，我们取 10 倍的 C，以满足性C dv(t)v(t)i C (t)i (t)dtR能的要求 。（ 2-4 ）电感电压在一个开关周期的平均值为1.3 Buck-Boost 变换器的线性模型1t Ts1t dTst TsvL (t ) TsTst vL ( )dt vL ( )dt dTs vL ( )d Ts变换器的大信号模型1tdTstTsT

7、svg ( )dtv( )d tdTs（ 2-5 ）如果输入电压Vg (t ) 连续 ，而且在一个开关图（ 2-1 ）Buck-Boost变换器的电路图在阶段1，即 t ,tdTs ,开关在位置1 时，电感两端的电压为vL (t)L di (t )Vg (t )dt（ 2-1 ）周期中变化很小，于是 Vg (t ) 在 t ,tdTs 区间的值可以近似用开关周期的平均值Vg (t)Ts表示 。 类似的 ， 由于输出电压v(t ) 连续 ，另外 v(t ) 在一个开关周期中变化很小，于是v(t )tdTs ,t Ts在区间可以近似用开关周期的平均值v(t)Ts 表示 ，.学习帮手 .专业整理 .

8、这样 ，C dv(t ) Tsd (t ) i( t) TdtsvL (t ) Ts1 Vg (t ) Ts dTsv(t ) Ts (1 d)Ts （ 2-11 ）Tsv(t )TsR由（ 2-8 ），（ 2-11 ）， 在加上输入电流开=d (t)Vg (t ) Ts d (t) v(t) Ts关周期平均值方程，我们可以得到（2-6 ）Buck-Boost 变换器的状态空间变量开关周期式中 d (t )1d(t) 。平均值的方程根据电感特性方程经过开关周期平均算子作L di (t) Tsd (t) vg (t ) Td (t) v(t ) Tdtss用后形式不变性原理di(t ) TC d

9、v(t ) Tsd (t ) i (t )TsLsvL (t )Tsdtdtv( t)TsRi g (t) Tsd (t)i(t)Ts（2-7 ）（ 2-12 ）把方程（2-7 ）代入（2-6 ）得到：di (t)Tsd( t)vg (t ) Tsv(t ) TsLdtd (t )1.3.2 模型线性化（2-8 ）下面用扰动法求解小信号动态模型。我们在参考电感电压开关周期平均值的求法，可以输入电压vg (t)Ts和占空比d(t )在直流工得到电容电流开关周期平均值作点附近作微小扰动，即：iC (t)Ts d(t)v(t)Ts d (t)i (t)Tsv(t)Ts vg (t)TsVgv?g (

10、t)RR（2-9 ）d (t)D?d (t )由电容特性方程于是引起 Buck-Boost 变换器电路中个状态dv(t )TsiC(t )量和输入电流量的微小扰动，即：CdtTsi?(t)i (t )TI（ 2-10 ）s?v(t )VTsv(t )得：i g (t) TsI gi?g (t ).学习帮手 .专业整理 .（ 2-13 ）根据方程 （ 2-17 ），（ 2-18 ）和（ 2-19 ）我将方程 （ 2-13 ）分别代入变换器的状态空间们可以画出Buck-Boost变换器小信号交流变量开关周期平均值的方程，我们可以得模型 ：到：d I i?(t)?( )?() ?()VLD d t

11、Vgvg tD d tdt（ 2-14 ）?)?(?( )d Vv tV v tCdtD d(t) Ii?(t)R（ 2-15 ）?I gi g (t) Dd (t) Ii (t )（ 2-16 ）(t ) D?， D1 D 。其中 dd (t )整理方程 （2-14），（ 2-15），（ 2-16 ）并略去二阶项 ，我们可以得到Buck-Boost 变换器线性化小信号交流模型为：di?(t)?L(Vg V )d (t )Dv g (t)D v(t)dt（ 2-17 ）?D i?(t)?)Id?(t )C dv(t )v(tdtR（ 2-18 ）?ig (t )Di (t )Id (t )（

12、2-19 ）统一电路模型v?(t)图（ 2-2 ） Buck-Boost变换器小信号交流等效模型现在我们通过变换Buck-Boost变换器小信号等效模型来得到它的统一电路模型。将电压源移至1: D 变压器的一次侧 ，将电流源移至 D :1 变压器的一次侧，得到图 （ 2-3 ）图（2-3 ）切开电流源的接地端，连接至A，然后在 A 点与地之间安装同样的电流源，由于各节点的方程式相同，因此电路等效，如图（ 2-4 ）所示图（2-4 ）.学习帮手 .专业整理 .根据戴维南定理，电流源与电感并联可等效为电压源与电感串联，如图（2-5 ）所示 ，图（2-5 ）将电流源移至1: D 变压器的一侧 。 并

13、对刚移至1: D 变压器一次侧的电流源作前面类似的变换，如图（ 2-6 ）所示 ，图（2-6 ）将两个变压器中间的电压源移至1: D变压器的左边，电感移至D :1 变压器的右边。 再将两个变压器组合成一个变压器，如图（2-7 ），H e ( s)1s LeLeCs21R，其中LLe2D为有效电感 。VgVsLIe(s)DDD ，定义电压源的系数式中 ， I 为电感电流直流平均值。根据 Buck-Boost电路直流关系(1D)IVRVD V gD，消去上式中的 I 、 V g ，得到 e(s)VsDLD 2(1D2R)。通过以上的推导我们就可以得到Buck-Boost变换器的统一模型，如图 （

14、2-8 ）所示，（ 2-8 ） Buck-Boost 变换器统一电路模型1.4 Buck-Boost 变换器控制到输出的传递函数由统一电路模型我们可以得到由控制图（ 2-7 ）到输出的传递函数为，这里等效低通滤波器的传递函数为：.学习帮手 .专业整理 .?()Gvd (s) / vg (s) 0v se( s)M ( D )H e (s)?d (s)e(s)V(1sDL )其中D 2D 2 R，H e ( s)1LeDLeCs2M (D)s1D ，R代入得 ：V ( DsL )Gvd ( s) / vg ( s)0DD RLCs2L sD 2R（3-1 ）把具体数据代入方程（ 3-1 ）， 可

15、以得到控制到输出的传递函数为：Gvd(s) /vg(s) 0112.50.0203s725.8 105s 0.182.4910 s（ 3-2 ）1.5 补偿网络的设计由 Buck-Boost变换器构成的负反馈控制系统如图 （ 4-1 ）所示 ，其中 Gvd ( s) 为变换器?(s)Gm ( s)d( s)的占空比到v0的传递函数 ，为 PWM脉宽调制器的传递函数 ， H (s) 表示反馈分压网络的传递函数， Gc (s) 为补偿网络的传递函数 。图（ 4-1 ） Buck-Boost变换器闭环系统令 G (s) = Gc ( s) Gm (s) Gvd (s) ， 则特征方程式 G(s) H

16、 (s) 包含了所有闭环极点的信息 ， 因此可以通过分析G ( s) H (s) 的特性全面把握系统的稳定性。波特图法就是基于G ( s) H ( s) 幅频图和相频图研究系统的稳定性。对于 Buck-Boost变换器系统 ，其回路增益函数 G (s)H (s) 为：G ( s) H ( s)Gc( s)Gm ( s)Gvd (s)H ( s)Gc (s)G0 (s)（ 4-1 ）式中 G0 (s) = Gm (s)Gvd (s)H (s) 为未加补偿网络 Gc (s) 时回路增益函数，称为原始回路增益函数 。?1Gm ( s)d (s)?( s)VmVc（4-2 ）Vm 为 PWM 调制器中

17、锯齿波的幅值。H (s) 的传递函数为H ( s)B( s)R2V ( s)R1R2.学习帮手 .专业整理 .（4-3 ）般要求系统的相位裕量在 45左右 ，增益裕将上面已知的传递函数结合在一起，则原始量在 10dB 左右 ，因此需要加入补偿网络回路增益函数G0( s)为Gc (s)，来提高系统的性能 。G0 ( s)（ 4-4 ）令 Vm =2.5V ， H (s)代入方程 （ 4-4 ）得Gm ( s)Gvd ( s) H (s) Gvd ( s)1R2补偿网络的设计 ：Vm R1R2我们选择源超前 - 滞后作为系统的补偿网=0.5, 并把方程 （ 3-2 ）络。补偿后回路函数的增益交越频

18、率G0(s)22.50.00406s125(0.00018041)s7 257 252.4910 s5.810 s 0.1813.810s32.210 s 1（ 4-5 ）我们用 Matlab 来做系统不加补偿器的Bode 图，如下 ：Bode图10050Bd0益增-50-100234567110101010101010频率（rad/sec）0g -100ed位相-200-300234567110101010101010频率（rad/sec）图（ 3-1 ）不加补偿网络系统的Bode 图从 Bode 图中 ，我们可以看出系统的相位裕量为负值 ，增益裕量也不满足要求 ，一fgf s / 5105

19、 / 50.2 105（ 4-6 ）因为原始回路函数G0 (s) 有两个相近的极点，并且极点频率为：f p1, p 21/ (2LC )136HZ（ 4-7 ）我们将补偿网络G0 (s) 的两个零点设定为原始回路函数G0 (s) 两个相近的极点频率1的 2，即1fz1f z2 2 f p1, p2 68 HZ（ 4-8 ）因为原始回路函数G0 (s) 有一个零点 ，我们令f p 2f p 3883HZ（ 4-9 ）原始回路函数G0 (s) 在 f g 的增益为.学习帮手 .专业整理 .G0 ( j 2f g )0.132（ 4-10 ）所以 ，为了使补偿后的回路函数G (s) H (s)Gc

20、(s)G0 (s) 在 f g 处增益为0dB ，AV2f p 2 Gc ( j 2 fg ) 0.0544f g（ 4-13 ）补偿函数为(1 0.0023)(1s 0.0025)sGc(s)5 s)(1 1.8032104s)0.5952(1s 1.669 1018Gc ( j 2 f g )G0 ( j 2fg )（ 4-11 ）图（ 4-2 ）超前滞后补偿网络电路图图（4-3 ）幅频图AV1f z2 Gc ( j 2 f g ) 0.0272f g经过补偿后系统的开环幅频Bode图500Bd-50益增-100-150234567110101010101010频率（rad/sec）0-1

21、00ged-200位相-300-400234567110101010101010频率（rad/sec）图（ 3-2 ）经过补偿后系统的Bode 图此时系统的增益裕量为5dB,相位裕量为41.3 度，基本满足要求。（ 4-12 ）2 Matlab仿真.学习帮手 .专业整理 .仿真框图如下：图（5-1 ） Buck-Boost3 仿真结果（ 1 ）当不加扰动时输出电压如图（ 5-2 ）所示：160140120100806040200-2000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1变换器仿真框图图（ 5-3 ） Buck-Boost变换器输出电压波形放大图（ 2

22、 ） 可以看出输出电压具有良好的动态性能 ，在 0.05s 基本达到稳定 ，输出电压峰峰值基本在1.5V 左右 ，满足设计的要求 。（ 3 ）输出电流如图（ 5-4 ）所示图（ 5-2 ） Buck-Boost变换器输出电压波形3.531552.515415321521.515111500.51491480147-0.500.010.020.030.040.050.060.070.080.090.11461450.09820.09840.09860.09880.0990.09920.09940.09960.09980.10.098图（ 5-4 ） Buck-Boost变换器输出电流波形.学习帮

23、手 .专业整理 .3.23.153.13.0532.952.92.850.09840.09850.09860.09870.09880.09890.0990.0991图（ 5-5 ） Buck-Boost变换器输出电流波形放大图（ 4 ）输出电流波形的峰峰值小于0.3A ，满足设计有求。（ 5 ） 当加扰动时（ 6 ） 在 0.08s 时加 10V 扰动电压 ，输出电压波形如图 （ 5-6 ）所示160140120100806040200-200.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20图（ 5-5 ） Buck-Boost变换器加扰动后输出电压波形3.532.

24、521.510.50-0.50.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20图（ 5-6 ） Buck-Boost变换器加扰动后输出电流波形（ 7 ）输入电源在0.08s 时加入扰动电压10V ，输出电压和电流经过0.02s 左右的时间回复稳定 ，可见变换器具有良好的抗扰性。4.结语利用电感电压平均近似和电容电流平均近似的方法 ，建立连续模式 (CCM) 下电压控制型 BUCK/BOOST 结构 DC/DC 转换器的线性模型 ，实现非线性向线性模型的转化，得到由控制到输出的传递函数。 利用 Matlab工具对不同补偿网路的频域特性进行仿真，并对仿真结果进行分析。调

25、整电路结构、元件参数和仿真参数，并对系统进行补偿，能够使系统的稳定性达到最优可以得到理想效果 ，满足课题设计技术指标的要求。本文给出了 Buck/Boost 直流变换器的主电路的结构图 、在电感电流连续时的主要波形 ，并对其工作原理进行了详细的分析 ，按照要求计算出了主电路元器件的相关参数，再利用MATLAB 搭建仿真线路图进行仿真，得出仿真波形 ，从仿真出的波形图与计算出的数据进行比较 ，误差值在规.学习帮手 .专业整理 .定范围内 ，可见此设计时比较成功的。 心得体会通过这一周对Buck/Boost变换器的课程设计 ，加深了我对Buck/Boost直流斩波电路工作原理的理解，也丰富了我对直

26、流 - 直流变换器的认识，让我知道除了Buck 斩波电路 、 Boost 斩波电路之外 ，还有其他功能强大且应用广泛的斩波电路。除此之外 ，通过使用 MATLAB 软件进行仿真 ，让我了解了 MATLAB 这款软件了工作环境 、工作面板，一定程度上了解了MATLAB 的使用和操作方法，为日后对此软件的使用打下了基础。电力电子技术在我们的生活中应用十分广泛且占有重要地位，我们一定要学好它。.学习帮手 .专业整理 .参考文献【1】王凤岩 ,许建平 . DC/DC 开关电源控制方法小信号模型比较 J.电力电子技术 , 2007,(01).【2 】张元敏 ,方如举 . 利用状态平均法对DC/DC 变换

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