基于Buck電路的DCDC變換器反饋控制設(shè)計(jì)研究.pdf

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1、基于Buck電路的DC/DC變換器反饋控制設(shè)計(jì)研究信息072碩屠黎俊2070885摘要：本文主要對(duì)Buck電路的DC/DC變換器的反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，并用MATLAB語(yǔ)言工具對(duì)其進(jìn)行仿真。從而，對(duì)Buck電路及變換器的原理結(jié)構(gòu)有夠深入的了解。關(guān)鍵字：Buck，DC/DC變換器，反饋控制，仿真1引言直流變換技術(shù)(亦稱直流斬波技術(shù))，作為電力電子技術(shù)領(lǐng)域中非?；钴S的一個(gè)分支，在近幾十年里，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著電動(dòng)牽引技術(shù)的發(fā)展，特別是電子信息類產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，直流變換技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。大到地鐵列車、無(wú)軌電車，小到移動(dòng)電話、MP3播放器，都離不開(kāi)直流

2、變換技術(shù)。直流變換技術(shù)之所以得到廣泛的應(yīng)用，除了因?yàn)橛纱嗽碇圃斓碾娫催m配器具有高效率，高功率密度和高可靠性優(yōu)點(diǎn)外，它還具有體積小、重量輕等許多顯著的特點(diǎn)。在電力電子系統(tǒng)的研究中，仿真研究由于其高效、高精度及高的經(jīng)濟(jì)性與可靠性而得到大量應(yīng)用。近二十年來(lái)，仿真已逐漸成為電力電子技術(shù)研究的有力工具。MATLAB語(yǔ)言的強(qiáng)大仿真功能和方便性受到廣大使用者的廣泛愛(ài)好。本文對(duì)基于Buck的DC/DC變換器電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行建模和仿真，分析反饋控制網(wǎng)路設(shè)計(jì)以及采用不同參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。2Buck變換器的工作原理Buck變換器電路圖，如圖2-1所示。

3、Eg為輸入電源；V為門(mén)極可關(guān)斷晶體管(簡(jiǎn)稱：可關(guān)斷晶體管)GTO；Ds、Ls、Cs串聯(lián)支路與V并聯(lián)，成可關(guān)斷晶體管GTO的緩沖回路；VD為續(xù)流二極管；L、R串聯(lián)支路為負(fù)載；脈沖發(fā)生器輸出可關(guān)斷晶體管GTO的控制脈沖。LsDsCsIoVUgLEg脈沖發(fā)生器UdVDUoR圖2-1Buck電路1當(dāng)作用于可關(guān)斷晶體管V上的脈沖為“正”時(shí)，V管導(dǎo)通，Ud加在VD兩端，VD反偏截止，此時(shí)加在負(fù)載兩端的電壓Uo等于Ud，并持續(xù)t1時(shí)間，如圖2所示。在V管導(dǎo)通的t1時(shí)間內(nèi)，流過(guò)負(fù)載的電流io是電感電流，呈直線上升，按直線規(guī)律從iomin上升到iomax。當(dāng)脈沖為“零”時(shí)，V關(guān)斷，由于電感

4、原有電流流過(guò)，存儲(chǔ)了能量，要通過(guò)負(fù)載R和VD釋放，此時(shí)VD導(dǎo)通Uo為零，并持續(xù)t2時(shí)間，如圖2-2所示。在V管關(guān)斷的t2時(shí)間內(nèi)，電感兩端電壓為負(fù)，io呈直線下降，按直線規(guī)律從iomax下降到iomin。Ugt1t2UotUdIotIomaxIomint圖2-2Buck電路工作波形Buck變換器輸出電壓的平均值Uo等于kUd，即Uo與k值成正比，k從0變到1，輸出電壓從0變到Ud。由于k總是一個(gè)不大于1的值，輸出電壓最大值不會(huì)超過(guò)輸入電壓Ud,即Buck變換器電路是降壓電路。3DC/DC變換器反饋控制系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)一般由電力電子變換器、PWM調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)電路、反饋控制單元

5、構(gòu)成，如圖3-1所示。由控制理論的知識(shí)，電力電子系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的好壞與反饋控制設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在經(jīng)典自動(dòng)控制理論中，需獲得電力電子變化器和PWM調(diào)制器的傳遞函數(shù)。有了傳遞函數(shù)，就可以用頻率特性法或根軌跡圖法來(lái)設(shè)計(jì)反饋控制網(wǎng)路的設(shè)計(jì)。電源電力電子變換器負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路PWM調(diào)制器反饋控制器圖3-1電力電子系統(tǒng)圖3-2所示為DC/DC變換器的反饋控制系統(tǒng)系，由BuckDC/DC變換器、PWM調(diào)制器、功率器件、補(bǔ)償網(wǎng)路等單元組成。2LVg(t)CRV(t)驅(qū)動(dòng)器補(bǔ)償網(wǎng)路δ(t)PWM調(diào)制器VcG(s)V電壓參考值Vrefδ(t)Vc(t)0dTsTst0t圖3-2DC/DC變換

6、器反饋控制系統(tǒng)本文用于計(jì)算仿真的BuckDC/DC變換器反饋控制系統(tǒng)電路如圖3-3所示，電路工作在CCM方式，參數(shù)如下：輸入電壓Vg=48V，輸出電壓V=12V，濾波電感L=0.1mH，濾波電容C=500μF，負(fù)載電阻R=1Ω，反饋電阻Rx=100KΩ，Ry=100KΩ。開(kāi)關(guān)頻率fs=100KHz。PWM調(diào)制器鋸齒波幅度Vm=2.5V，參考電壓Vref=6V。LVgSVDCRVC2C1驅(qū)動(dòng)器δ(t)C3RxR2R3R1Ry圖3-3BuckDC/DC變換器反饋控制系統(tǒng)電路3.1閉環(huán)控制與穩(wěn)定性對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)，特征方程的根都在s平面的左半平面，或者說(shuō)是閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)都在s平

7、面的左半平面。由于開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)包含了閉環(huán)極點(diǎn)的全部信息，因此可以通過(guò)分析開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的特性來(lái)把握閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性可分為絕對(duì)穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性，都可以通過(guò)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕量或增益裕量來(lái)進(jìn)行判斷。對(duì)于絕對(duì)穩(wěn)定性，3如果增益裕量小于0dB、或相位裕量為負(fù)值，則表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定性，在增益裕量大于0dB的前提下，一般增益裕量大的相對(duì)穩(wěn)定性較好，；有時(shí)需要用相位裕量一起進(jìn)行判斷，相位裕量較大的相對(duì)穩(wěn)定性較好。相對(duì)穩(wěn)定性好的系統(tǒng)，其超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。通常選擇相位裕量在45度左右，增益裕量在10dB左右。一