BUCKBOOST仿真分析

1、 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-BOOST CONVERTER SIMULATION ANALYSISAbstract: This project uses the inductor voltage and capa

2、citor current average approximate average approximation method, build a continuous mode (CCM), under voltage-controlled BUCK / BOOST structure DC / DC converter linear model, to achieve non-linear transformation to the linear model obtained from the control to output transfer function; on the basis

3、of compensation for the use of Matlab tools 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：0 引言开关电源转换器是现代电路理论的重要研究对象。作为一种非线性系统，BUCK/BOOST结构DC/DC转换器的控制方式主要有电压和

4、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结构DC/DC转换器的仿真电路，建立其线性模型，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。并进行仿真分析，调整电路结构、元件参数和仿真参数，以期得到理想效果。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=100kHZ功率>100W输入电压=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1.2.1电感L的计算按电感电流连续选取电感 （1-1） （1-2）由方程（1

5、-1）和（1-2）可得=按输出电流的峰峰值选取电感由公式得=所以我们选择=0.0029H1.2.2电容C的计算由公式得一般来说，按允许纹波电流计算出的输出滤波电容器的容量大约是按纹波电压计算出的容量的7倍多，我们取10倍的C，以满足性能的要求。1.3 Buck-Boost变换器的线性模型1.3.1 Buck-Boost变换器的大信号模型图（2-1）Buck-Boost变换器的电路图在阶段1，即,开关在位置1时，电感两端的电压为 （2-1）通过电容的电流为 （2-2）在阶段2，即，开关在位置2时，电感两端的电压为 （2-3）通过电容的电流为 （2-4）电感电压在一个开关周期的平均值为 （2-5）

6、如果输入电压连续，而且在一个开关周期中变化很小，于是在区间的值可以近似用开关周期的平均值表示。类似的，由于输出电压连续，另外在一个开关周期中变化很小，于是在区间可以近似用开关周期的平均值表示，这样，= （2-6）式中。根据电感特性方程经过开关周期平均算子作用后形式不变性原理 （2-7）把方程（2-7）代入（2-6）得到：（2-8）参考电感电压开关周期平均值的求法，可以得到电容电流开关周期平均值（2-9）由电容特性方程 （2-10）得： （2-11）由（2-8），（2-11），在加上输入电流开关周期平均值方程，我们可以得到Buck-Boost变换器的状态空间变量开关周期平均值的方程 （2-12）

7、1.3.2模型线性化下面用扰动法求解小信号动态模型。我们在输入电压和占空比在直流工作点附近作微小扰动，即：于是引起Buck-Boost变换器电路中个状态量和输入电流量的微小扰动，即： （2-13）将方程（2-13）分别代入变换器的状态空间变量开关周期平均值的方程，我们可以得到： （2-14） （2-15） （2-16）其中，。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： （2-17） （2-18） （2-19）1.3.3 统一电路模型根据方程（2-17），（2-18）和（2-19）我们可以画出Buck-Boost变

8、换器小信号交流模型：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。将电压源移至变压器的一次侧，将电流源移至变压器的一次侧，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）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）将电流源移至变压器的一侧。并对刚移至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变

9、压器的左边，电感移至变压器的右边。再将两个变压器组合成一个变压器，如图（2-7），图（2-7）这里等效低通滤波器的传递函数为：，其中为有效电感。 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，消去上式中的、，得到。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（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到输出的传递函数为，其中，代入得： （3-1）把具体数据代入方程（3-1），可以得到控制到输出的传递函数为：（3-2）1.5

10、 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，其中为变换器的占空比到的传递函数，为PWM脉宽调制器的传递函数，表示反馈分压网络的传递函数，为补偿网络的传递函数。图（4-1）Buck-Boost变换器闭环系统 令=，则特征方程式包含了所有闭环极点的信息，因此可以通过分析的特性全面把握系统的稳定性。波特图法就是基于幅频图和相频图研究系统的稳定性。对于Buck-Boost变换器系统，其回路增益函数为： （4-1）式中=为未加补偿网络时回路增益函数，称为原始回路增益函数。 （4-2）为PWM调制器中锯齿波的幅值。的传递函数为 （4-3）将上面已知的传递函数结合在一

11、起，则原始回路增益函数为（4-4）令=2.5V，=0.5,并把方程（3-2）代入方程（4-4）得 （4-5） 我们用Matlab来做系统不加补偿器的Bode图，如下：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，一般要求系统的相位裕量在左右，增益裕量在10dB左右，因此需要加入补偿网络，来提高系统的性能。补偿网络的设计：我们选择源超前-滞后作为系统的补偿网络。补偿后回路函数的增益交越频率 （4-6）因为原始回路函数有两个相近的极点，并且极点频率为： （4-7） 我们将补偿网络的两个零点设定为原始回路函数两个相近的极点频率的，即

12、 （4-8）因为原始回路函数有一个零点，我们令 （4-9）原始回路函数在的增益为 （4-10）所以，为了使补偿后的回路函数在处增益为0dB， （4-11） 图（4-2）超前滞后补偿网络电路图图（4-3）幅频图 （4-12） （4-13） 补偿函数为经过补偿后系统的开环幅频图（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。2 Matlab 仿真仿真框图如下：图（5-1）Buck-Boost变换器仿真框图3 仿真结果（1） 当不加扰动时输出电压如图（5-2）所示：图（5-2）Buck-Boost变换器输出电压波形图（5-3）Buck-Boost

13、变换器输出电压波形放大图（2） 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（5-4）Buck-Boost变换器输出电流波形图（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）所示图（5-5）Buck-Boost变换器加扰动后输出电压波形图（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

14、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

15、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

16、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。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变换电路的分析J.电力自动化设备, 2008,(04) .【3】乐忠明,吴金,姚建楠,李艳芳. PWM DC-DC转换器系统建模分析J.电子器件, 2008,(02) .【4】Tse C K,Bernardo M,Di.Complex behavior in swicthing power converterJ.Proceedings of IEEE,2002,90(5)

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18、MATLAB 在电气工程中的应用M.中国电力出版社，2006.【9】 Wong, Pit-Leong, Lee F C, Xunwei Zhou. Stability study of PC power system. IEEE Transactions on Industry Applications, Jan.-Feb. 2001, Vol.37, Issue: 1, 7380【10】Panov Y, Jovanovic M M. Stability and dynamic performance of current-sharing control for paralleled voltage regulator modules. IEEE Transactions on Power Electronics, March 2002, Volume: 17 Issue: 2, 172179【11】Chunxiao Sun, Lehman B. Discussions on control loop design in average