BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 80V60V

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

课程设计说明书

课程设计名称：电力电子技术

题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 80V/60V

2016年6月

目录

一、课题背景 ........................................................................................................................... 2 1.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律 .............................................................. 2

1

1.2 BUCK电路的工作原理 .................................................................................................. 4 二、目的 ................................................................................................................................... 5 三、设计要求 ........................................................................................................................... 5 四、设计步骤 ........................................................................................................................... 5 （一）主电路参数设计 ....................................................................................................... 5 （二）滤波电感L的计算 ................................................................................................... 6 （三）闭环系统的设计 ....................................................................................................... 6 五、总结和心得 ....................................................................................................................... 9 六、参考文献 ......................................................................................................................... 10 七、附录 ................................................................................................................................. 10

一、课题背景

1.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律

BUCK变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻(ESR)。

2

图1-1 BUCK电路基本结构图

在上图所示电路中，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使的直流分量可以通过，而抑制的谐波分量通过；电容上输出电压就是的直流分量再附加微小纹波。由于电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小，相对于电容上输出的直流电压V有：。电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成个，宏观上可以看作是恒定电流，这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。

一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为： ，此增量将产生一个平均感应电势：

此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。

3

1.2 BUCK电路的工作原理

1.2.1电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析 （1）晶体管导通状态

UL?Ud?U0?LdiLdt

VD关断，依据等效电路拓扑，

由于电路频率很高，一个周期内 和 基本维持不变，可视为固定值， 为常数，电流变化为线性。

UL?Ud?U0?L?U?U0?t1i?iIL?I1?I?LL?I?dVTL?tDTL，， Uic?iL?i0?iL?0R。

（2）二极管VD导通模式

UL??U0?Ldidt

晶体管关断，电感续流，二极管导通 ，

同样，由于 视为维持不变，则输出电流线性减小。

?IcU（t2?t1)Udi?L?IL?-0ic?iL?i0?iL?0i?0，dtt2?t1，LR。，VT1.3BUCK电路应用

-U0?L

主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。

此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。

4