Buck電路的系統(tǒng)建模

1、1、 Buck變換器及其工作狀態(tài)分析a)b)c)圖1 Buck變換器及其工作狀態(tài)分析a) Buck變換器 b)開關處理通態(tài)t，t+DTs c)開關處于斷態(tài)t+DTs，t+Ts當Buck變換器達到穩(wěn)態(tài)時，又，則其穩(wěn)態(tài)電壓傳輸比為：。若略去開關損耗，則Buck變換器的輸入輸出功率平衡有：，得。2、 大信號模型在開關管處于通態(tài)時，即t，t+DTs時，電感兩段電壓為:，通過電容的電流；當開關管處于斷態(tài)時，即t+DTs，t+Ts時，電感兩端電壓為，通過電容的電流為。如果輸入電壓連續(xù)，而且在一個開關周期內變化很小，于是在t，t+dTs區(qū)間的值可以近似用開關周期的平均值表示，這樣由于輸出電壓連續(xù)，另外在一個

2、周期中變化很小，于是在t，t+Ts區(qū)間的值可以近似的表示為。于是有。根據(jù)電感特性經(jīng)過開關周期平均算子作用后形式不變性原理有，于是有。對于電容有：，由電容特性方程得：。而輸入電流的開關平均周期為。于是得到Buck變換器的狀態(tài)空間變量開關周期平均值的方程為3、 線性化若Buck變換器工作在某一靜態(tài)工作點，穩(wěn)態(tài)占空比，穩(wěn)態(tài)輸入電壓，電感電流、電容電壓和輸入電流、的穩(wěn)態(tài)值分別為I、V、Ig。當電路達到穩(wěn)態(tài)時，由電感電壓的伏秒平衡原理，并代入占空比和各電量的穩(wěn)態(tài)值，有；由電容電荷平衡原理，有；對于輸入電流有。如果對輸入電壓和占空比在之流工作點附近做微小擾動，即，將引起B(yǎng)uck變換器各狀態(tài)變量和輸入電流量

3、的微小擾動，即，則，即。該式右邊包含三項：直流項、一階交流項、二階交流項，其中一階交流項為線性項，二階交流項為非線性項。由于右邊的直流項等于零，可以從式中去掉；若擾動量比直流工作點小得多，則二階交流項將遠小于一階交流項，于是二階交流項可忽略。則有。同理，對于電容有，可化簡為：。輸入電流的方程為，可化簡為：。匯總后得到Buck變換器線性化交流小信號交流模型為：4、 小信號交流等效電路圖2 三個等效子電路 a)對應電感方程的子電路 b)對應電容方程的子電路 c)對應輸入方程的子電路圖3 三個子電路組合在一起圖4 Buck變換器小信號模型5、 統(tǒng)一電路模型變壓器一次側有電壓源與電流源并聯(lián)，等效為電壓

4、源，將電流源去掉得到下圖中的a)；將變壓器二次側的電壓源前移并除以相應變比得到下圖中的b)；合并下圖b)中的兩個電壓源即可得到最終形式的c)。下圖中的c)即為Buck變換器的統(tǒng)一電路模型。a) b)c)圖5 Buck變換器的三個等效子電路6、 補償網(wǎng)絡Buck變換器工作在CCM方式，如右圖所示。電路參數(shù)為：輸入電壓，輸出電壓，濾波電容，濾波電感，負載電阻，反饋電阻。開關頻率，PWM調制器鋸齒波幅度，參考電壓。圖6 Buck變換器系統(tǒng)解：Buck變換器占空比至輸出的傳遞函數(shù)為，原始回路增益函數(shù)為，即的直流增益為；幅頻特性的轉折頻率為。波特圖如下圖所示，在低頻時增益為，在頻率為673Hz時會有轉折

5、發(fā)生，其斜率為-40dB/dec。原始回路增益函數(shù)在1370Hz穿越0dB，相位裕量僅為o。圖7原始回路函數(shù)波特圖設加入補償網(wǎng)絡后，回路函數(shù)的增益交越頻率fg等于1/5的開關頻率fs，即增益交越頻率fg=1/5fs=20kHz。如果加入補償網(wǎng)絡后回路增益函數(shù)以-20dB/dec的斜率通過0dB線，則變換器系統(tǒng)將有較好的相位裕度。為了得到-20dB/dec的斜率，補償網(wǎng)絡在穿越頻率點必須提供+20dB/dec的斜率。補償網(wǎng)絡兩個零點頻率設計為原始回路函數(shù)兩個相近極點的1/2，即fz1=fz2=1/2fp1,p2=336Hz。由于沒有零點，則可以將的兩個極點設定為fp2=fp3=fs以減小輸出高頻開關紋波。原始回路函數(shù)在fg的增益為：補償網(wǎng)絡在增益交越頻率fg的增益為：。這樣，補償后回路函數(shù)在fg為0dB。求在零點fz1與fz2之增益為：；極點fp2的增益則為：；假設，可求得其他原件的參數(shù)：；。由以上各元件參數(shù)的補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為圖8 補償網(wǎng)絡波特圖補償網(wǎng)絡的幅頻特性和原始回路函數(shù)幅