基于Buck变换器的双环开关调节系统的设计和仿真

基于Buck变换器的双环开关调节系统的设计和仿真

【摘要】Buck电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值V o等于占空比乘以输入电压Vin。通常电感中的电流是否连续，取决于负载的大小，所以简单的BUCK电路输出的电压不稳定，一旦负载突变会造成严重后果。加入闭环控制系统，输出电压经采样环节后和参考电压比较，同时在此基础上引入电流反馈，得到的误差信号送至控制器，控制器输出信号送至PWM环节和锯齿波时钟信号比较，改变占空比d即可调节开关变换器的输出电压，达到稳定电压的目的。

【关键词】Buck电路；闭环控制；PWM环节

1.引言

随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源变换器已广泛应用于计算机、电信、航空航天等领域。其核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子电路实现其应用。Buck变换器是开关电源变换器中最常见的一种，主要应用于低压大电流领域，有众多拓扑。但简单的Buck电路输出电压不稳定且会受到负载和外部的干扰。为了达到稳定输出电压的目的，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，获得较好的动态性能。

2.Buck变换电路控制系统的基本原理

2.1 单闭环调节系统的设计和主电路模型

具有电压控制的Buck变换器开关调节系统如图1所示，主电路为Buck变换电路[1]，控制电路采用电压负反馈。在负反馈电路中，输出电压U经采样后与给定的参考电压U比较，得到误差信号Ue送至控制器，控制器输出信号Uc 送至PWM环节，与PWM环节中的振荡器产生的锯齿波时钟信号比较，使比较器输出周期不变，脉冲宽度即占空比d受Uc调制的一系列脉冲信号，再通过驱动器将脉冲信号放大，控制变换器的功率开关器件的导通与关断。由于电压和负载发生变化，或系统受到其他因素干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈回路[2]可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间，达到稳定输出电压的目的。

2.2 双环开关调节系统的设计

为了克服单环系统在控制和环节上的延迟，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。双环开关调节系统[3]框图如图2所示。电流控制环是由开关变换器﹑电流采样器I/V、电流控制器和开关控制器组成。电流采样器的作用是将主电路的电感电流iL或功率开关管的电流或整流二极管的电感电流变换为电压信号URs。BU是电压控制器，其作用是将输出电压U与参考电压Uref相比较产生误差电压信号UCP，为电流控制环提供控制信号。

BC是电流控制器，其作用是将电流采样器[4]的输出电压URs与参考电压UCP 相比较产生控制电压UCA，并作用于开关控制器，讲模拟量调制为脉冲量d（t），电流控制环和电压控制器组成了电压控制环。电流控制环是内环，实现电流自动调节；电压控制环是外环，实现电压自动调节。

3.Buck变换电路控制系统的建模与仿真

3.1 控制回路建模与参数设置

（1）控制系统采用电压、电流双闭环结构。为了使系统响应时间比较短，并尽可能减小误差，外环电压控制器选用PI控制器。这里Kp和Ki分别为比例常数和积分常数，其值分别设置为1.6和16，采用饱和控制模块限幅值为2.5。电流内环采用电流比较脉冲环节，即把电压控制器输出的电流与反馈电流进行比较产生脉冲信号输出，用于控制全控器件IGBT，滞环宽度设为2.5。

（2）Buck变换电路主回路的建模及参数设置。

图3为由IGBT组成的Buck变换电路仿真模型，主电路由直流电源、全控器件IGBT、续流动二极管、输出滤波电感及负载组成。参数分别设置R=50Ω，L=2e-3H，C=2e-6F，电源电压为100V。

3.2 Buck变换电路控制系统的仿真

利用Simulink中SimPowerSystems功能模块，打开仿真窗口，选择ode23tb 算法，相对误差设置为1e-3，为了与开环电路性能进行比较，图4给出了定值50V，仿真时间为0.002s控制仿真结果，负载两端输出电压波形如图4所示。

4.结语

详细介绍了Buck变换电路控制系统的基本原理，探讨了采用Buck变换器的双环开关调节系统的原理和控制策略。对Buck变换电路控制系统建模，仿真结果表明Buck电路电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2008.

[2]冯巧玲，吴娟，邱道尹.自动控制原理[M].北京航空航天大学出版社，2004.

[3]张兴.高等电力电子技术[M].机械工业出版社，2011.

薛勇（1966—），男，武汉纺织大学机械工程与自动化学院副教授，硕士生

导师。

杨杰，男，湖北鄂州人，现就读于武汉纺织大学机械工程与自动化学院。