基于PWM控制的开关电源技术研究

一、引言
二、开关电源工作原理
开关电源以半导体器件作为开关器件，通过控制开关管开通和关断占空比，来保证输出电压稳定的电源。

利用功率开关管和储能元件共同实现开关管开通和关断时刻，能量的转换即：在开关管开头时间里，电感从输入电压源获取能量，并以电磁能的形式储存起来；在开关管关断时间里，电感释放所获取的能量并提供外部电路使用。

开关电源主要由四个主体部分组成：输入回路、功率变换电路、输出回路和控制电路典型的开关电源原理结构图如图1所示。

开关电源的工作原理可以分为如下几分：1、交流输入电源经过输入回来进行经滤波、整流得到较为平滑的直流电压；2、经过输入回路处理过的直流高电压再通过功率变换电路变换为高频脉冲电压，然后将此方波电压经输出回路二次整流滤波变为所需要的直流电压并输出；3、高频脉冲电压通过输出回路逆变滤波为稳定的直流输出电压；4、采样电路对输出电压进行检测和采样，经过控制电路对功率开关管的触发脉冲进行调制，从而调整开关管的开通时间，以稳定输出交流电压。

开关电源功率开关器件处于开关工作状态，其导通时的管压降非常小，可以近似不消耗能量，其关断时漏电流很小，也近似为不消耗能量，所以开关电源的功率转换效率非常高。

图1 开关电源原理结构图
三、开关电源拓扑结构
（a）降压型（buck）（b）降压型升压型（boost）
（c）降压-升压型（buck-boost）
图2 dc/dc型开关电源拓扑结构
电压控制模式的优点是抗噪声能力强，对于多路输出电源之间的交互调节效应较好，占空比调节不受限制，对输出负载变化有较快的响应速度。

它的缺点是只有电压反馈回路没有电流环，对于稳压电源来说，要不断地调节输入电流，以满足输出电流的变化和负载变化以稳定输出电压。

五、理想boost开关电源数学模型的建立
在理想条件下，当电感l的电流i（t）连续时，boost电路的一个开关周期可以分为两个阶段。

如图7所示。

设boost变换器的输入电压为vg（t），输入电流为ig（t），电感电流为vg（t），电感电压为vl（t），电感的电流i（t），为电容电压为v（t），电容电流为ic（t）。

取状态变量为，输入变量为，输出变量为。

（a）阶段1等效电路（b）阶段2等效电路
图7 boost变换器一个开关周期的两个工作状态
在阶段1时，即，s1导通，电感处于充磁阶段，等效电路如图7（a）所示；在阶段2时，即，s1截止，电感处于放磁阶段，等效电路如图7（b）所示。

在时间段，描述电路瞬时状态的方程为：
时间段，描述电路瞬时状态的方程为：
设开关周期平均算子
代入公式得：
因为
令
则
代入公式得
boost电路的小信号方程表示为：
六、仿真及结果分析
（一）状态空间平均法仿真。

利用matlab对理想状态条件下boost开关电源采用状态空间平均法得到的数学模型进行仿真验证，其模型如图8所示。

设置电路参数为：（三）仿真结果及分析。

理想条件下，设boost变换器的电路参数如下：vg=200v，vd=0.8v ron=0.1ohm，r=10ohm，c=2000uf，l=10mh。

仿真结果如图10所示。

七、总结
参考文献
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[3]郝琦伟，李树华.开关电源的原理与设计.内蒙古大学学报，2003，34（4）；440-444.
[4]王兆安，黄俊.电力电子技术[m].北京：机械工业出版社，2005.
[6]张卫平，吴兆麟.开关变换器建模方法综述[j].浙江大学学报，1999，33（2）：12-15.
[7]田锦明，龚成龙，王松林.一种新颖的开关电源调制模式.电子器件，2007，第 30 卷（12 期）：936-938
[8]文亚凤.状态空间平均法在开关电源动态建模中的应用[j].电气应用，2008，（18）：54-56.
[9]张卫平，吴兆麟.开关变换器建模方法综述[j]. 浙江大学学报，1999，33（2）：12-15.
作者简介
姓名：徐颂，性别：男，民族：汉，出生年月日：75-12-30：籍贯：浙江海盐，学历：大学本科，研究方向：通信电子机械制造，职称：中级工程师，职务：技术总监。