基于Matlab的DCDC变换器的建模和仿真研究

2007中国控制与决策学术年会论文集 Proceedingsof2007ChineseControlandDecisionto．re"rffnce 1077 基于Matlab的DC-DC变换器的建模和仿真研究 杨国超，纪志成 (江南大学电气自动化研究所，江苏元锡214122) 摘 要：根据DC-DC交换的基本原理，在连续导通模式下，基于Matlab对BUCK，BOOST和BUCK／BooST3种变 换电路分别构建了仿真模型．仿真结果与理论分析一致，表明了建模方法的正确性．该模型适合于验证不同DC-DC 交换电路的运行特性． 关键词：DC-DC变换；建模仿真；软开关 ModelingandsimulationofDC—DCconverterbasedonMatlab yANGGuo—chao．JIZ^i—cheng (InstituteofElectricalAutomation，SouthernYangtzeUniversity，Wuxi214122，China．Correspondent：JIZhi- cheng，E-mail：zcji@sytu．educn) Abstract：AccordingtOtheprincipleoftheDC-DCconverter，thecomparisonandanalysisofthreesortsof commutationcircuits，namelyBUCK，BOOSTandBUCK／BOOSTareinvestigatedincontinuousmodebasedon Matlab．ThesimulationresultsinMatlabareconsistenttOthetheoreticalanalysisandshowtheeffectivenessofthe modelingmethod．Theseproposedmodelshavegreatsignificanceintestingtheperformancesandcontrolalgorithmfor differentkindsofDC．DCconverters． Keywords：DC-DCconverter；Modelingandsimulation；Softswitching 1引 言 对DC．DC变换器进行仿真有很多软件可用，如 Matlab，PSPICEEl。，EMTPt纠，SABER[3]， SPECTRE[‘]．其中常用的有Matlab和PSPICE． PSPICE仿真软件适用于半导体和开关器件实际模 型的仿真，仿真结果能细致地表现实际模型的特性， 但仿真计算量太大，在瞬态仿真中经常出现收敛问 题，为解决该问题，器件通常要设置缓冲器．通过设 置缓冲电路，PSPICE可对功率电子电路进行时域 稳态、瞬态分析，但无法进行直流运行点及小信号交 流频域分析等． Matlab提供了很多仿真工具箱，能够对系统进 行各种动态分析，在各种仿真工具中应用最为广泛， 功能最为强大．Matlab仿真一般有两种方法：用S 函数编程实现[5]和用Matlab模块化实现．S函数编 程的方法需进行复杂的编程工作，且很难实现闭环 控制；而使用Matlab模块化方法，可对变换电路的 工作原理有较深入的了解，还可方便地加入PID、模 糊、滑模等各种控制方法，构成闭环控制系统． 本文在比较了各种建模方法的基础上，选用 Matlab模块化设计方法，在连续导通模式下分别对 BUCK，BOOST和BUCK／BOOST3种变换电路进 行比较分析和建模仿真．仿真结果与理论分析一致， 验证了建模方法的正确性． 2 BUCK变换 2．1基本原理 图1 BUCK变换器原理 根据图1中BUCK变换器的原理，可将其工作 过程分为两种模式：开关管导通状态和关断状态． 在开关管导通时，直流电压E经电感L向负载 R供电，同时向电容C充电．在开关管关断后，电感 基金项目：江苏省高技术研究项目(BG2005014)．． 作者简介：纪志成(1959一)，男，杭州人，教授，博士生导师，从事电力电子、智能控制等研究． 1078 2007中国控制与决策学术年会论文集 电流继续向电阻R供电，同时电容向电阻R放电．由 此可见，不管在哪种状态下，BUCK变换器负载电阻 上的电压始终小于直流电压源的电压，为降压变换 器，主要用于直流稳压电源和直流电机调速． 2．2 建立状态方程 根据以上分析，取电感电流及电容电压为变量， 应用KVL和KCL(基尔霍夫电压和电流定律)，可 得开关管导通时的微分方程 V，一L塞+口，i=c面dv十页v．(1) 同理，可得出开关管关断时的微分方程 0=L塞+口，净cd眦r+』0时sign(x)=1，z<0时sign(x)= 0，若z一0，则sign(x)不确定；D为脉冲信号的占空 比嘲． 通过变化可得如下状态方程：· 』门一 出L口j 『．t]+阻㈣LvJl L0-j 引入

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化参数r=f*t，可将状态方程变为 以下形式： 一 dril 五l口j一 。一巧1 —1 一j二 cf RCf mfV] I+I玎卜(6)hJlo j 2．3 仿真框图 根据以上状态方程，可以建立BUCK变换电路 仿真框图(略)．仿真参数为：开关频率f=5000 Hz，负载R=2．5Q，参考输出电压U=5V，输入 电压V。=12V，占空比D=Vo／v,=5／12，电感L =200弘H，电容C=47pF，输出电流参考值U／R =2A． 为使仿真系统能在最短时间内达到稳定状态， 可将输出电压的初始条件设置为稳态期望值． 2．4 仿真波形 根据仿真框图进行仿真，可得图2和图3的仿 真波形． 图2 输出电流波形 围3 输出电压波形 3 BOOST变换 + ’‘ 3．1 基本原理 图4 BOOST变换器原理 如图4所示，在开关管导通时，直流电压y，向 电感L放电，此时电感L上的电流会变得很大，同时 电容C向负载电阻R放电．开关管关断时与BUCK 变换器开关管开通时一样，直流电压经电感L向电 阻R供电，同时对电容C充电．在开关管导通时，电 感L上已有很大的电流，故负载电阻会有很大的输 出电压，为升压变换器，主要用于直流稳压电源和直 流电机的再生制动． 3．2 建立状态方程 分析可知，开关管开通时微分方程为 U=L五di，0一c否dv十页v．(7) 关断时情形与BUCK变换开关管开通时一样．根据 方程可得综合方程 IE=L塞+(1一")口， { ， (8) 【(1叫H=c“’+g”． ，一L．，一解 一 一 0 1一C 杨国超等：基于Matlab的DC-DC交换器的建模和仿真研究 1079 开关管开通时“=1，关断时让=0．经过标准化可得 状态方程 ’踟一[，力二荔蜘+‘ [巍1／Lf0埘．’∽L—i／CI， JLEj' 一 3．3 仿真框图 根据以上的状态方程可得仿真框图(略)．仿真 参数为：开关频率f=15000Hz，负载R=8Q，参 考输出电压U一28V，输入电压E=12V，占空比 D=1一Vo／Vo=417，电感L=20弘H，电容C= 100pF，输出电流参考值U／R=3．5A． 根据仿真框图进行仿真，可得如图5和图6的 > 专 图s输出电流 图6输出．电压 仿真波形． 4 BUCK／BOOST变换 4．1’基本原理 围7 BUCK／BOOST变换器原理 如图7所示，开关管导通时与BOOST变换器开 关管开通时一致，二极管D关断，直流电压Ⅵ向电 感L放电，同时电容C向负载电阻R放电．开关管关 断后情形与BUCK变换器开关管关断时类似，电感 电流维持电流方向不变，电感L的反电动势调转方 向(下正上负)，二极管D导通，电感电流向电阻R供 电，同时向电容C充电．此时电容电压方向及电感、 电阻的电流方向都将改变． ， 该变换器由降压和升压两种变换器级联组成， 主要用于要求相对输入电压的公共端为负极性，输 出电压可高于或低于输入电压的直流稳压电源． 4．2建立状态方程 分析可知，开关管开通时微分方程与BOOST 变换开关管开通时一致，开关管关断时微分方程与 BUCK变换开关管关断时一致．将两种状态下的微 分方程相结合，可得 』一L五di+，沌 ㈣， I(1一∞)i=C挈+罢． 开关管开通时∞=1，关断时翟；0．经过标准化 图8 BUCK／BOOST变换仿真框图 i080 2007中国控制与决策学术年会论文集 可得状态方程 dri] 磊【．口j2 0一巧1 —1一jL cf RCf 口 口+V， L{ Z ．cf (11) 4．3 仿真框图 根据以上分析，可以建立图8的仿真框图．仿真 参数为：开关频率f=10000Hz，负载R一4Q，参 考输出电压U一12V，输入电压Ⅵ=12V，占空比 D=U／(Vo+E)=0．5，电感L=300弘H，电容C =75弘F，输出电流参考值U／R一3A． 4．4 仿真波形 根据仿真框图进行仿真，可得图9和图10的仿 真波形． 田9 输出电流 tis 图10输出电压 根据3组仿真波形可知：在～个运行周期内，连 续导通模式下，电感电流值永远不会下降到0；输出 电流、输出电压则始终在给定参考值附近，且与负载 电阻的大小无关，只与开关频率和占空比有关，电感 电流始终大于输出电流．这些正符合DC-DC变换的 运行特性．仿真结果表明波形符合理论分析，建模方 法是正确的．由于是开环控制，电流电压波形会～直 有波动，但整体波动不大． 5 结 论 本文提出一种用状态空间方程来描述DC-DC 变换器的建模方法，分析了BUCK，BOOST及 BUCK／BOOST3种Dc．DC变换器的工作原理，进 行了状态方程的推导，用Simulink工具建立了仿真 框图，并进行实际仿真．仿真结果与理论分析一致， 充分验证了建模方法的正确性．利用该仿真模型可 有效模拟实际的DC-DC变换电路的运行特性，可对 DC-DC变换器的内部结构有较深入的了解，还可采 用不同的控制算法、控制策略对该模型进行闭环控 制，为分析设计Dc-DC变换电路及其控制系统提供 了有效的方法． 参考文献(References) [13MuhamadND；YatimAHM，ShafieAJ．APSPICE- baseddesignofDC—DCconvertersystems[C]．Power andEnergyConf．2004：73-77． [23MonsurN，SoodVK，LopesL．Modelingahybrid diode-thyristorHVDCrectifierin EMTP-RV[C]． ElectricalandComputerEngineering．2006：1258-1262． E33Lounisz，KhezzarA，RasoanarivoJ，eta1．Analog behaviouralmodellingandsimulationwithSABERof three-phaseIGBTvoltageinverterfedasynchronous machineEC]．The7thIntConfonPowerElectronicsand VariableSpeedDrives．1998：494·499． [4]TanPBY，KordeschAV，SidekO．CMOStransistor mismatchmodelwithtemperatureeffectforHSPICE andSPECTRE[C]．Procofthe7thIntCo《onSolid- stateandIntegratedCircuitsTechnology．2004，2：1139— 1142． Is]RandallShafferAlan．Fundamentalsof power electronicswithMatlab[M]．Boston：CharlesRiver Media，2007．