BUCK电路工作机理与控制的仿真研究

居静瑶

（国网江苏省电力有限公司检修分公司江苏211100）

摘要：本文主要设计了BUCK电路设计及其闭环控制。论文详细阐述了BUCK电路的工作原理和电路控制系统设计，并提出了最终的电路控制系统设计方案，对于所设计的BUCK电路及其控制系统，应用Matlab中Simulink软件，进行了系统建模及仿真，仿真涉及了电流控制及电压控制两个方面。并且对于不同条件下的仿真结果进行了重要控制性能指标，如超调量、相应时间及稳态误差等的分析和讨论。

关键词：BUCK电路；Matlab仿真；闭环控制

1.1BUCK电路的组成与工作原理

BUCK电路作为开关电源电路的一种，同样得到了广泛应用与飞速发展。BUCK电路比直流电压变换电路的优势在于其输出电压的平均值低于输入。其输入输出电压之比等于开关器件的占空比。为了实现硬开关或者软开关，并且优化直流变换电路，使其损耗降低，动态性能更佳，电磁干扰减小，功率器件的性能正逐渐改善。控制技术的发展与成熟促进了直流变换技术的快速发展。

2.1Matlab中BUCK电路及其控制系统的搭建

随着计算机技术的发展，计算机软件为普通科研人员进行电力系统仿真奠定了坚实的基础。Mathworks公司推出的基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一，它在各个领域得到广泛的应用[2]。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一。Simulink主要的功能是为动态系统提供一个集成环境，用户可以在这个集成环境内惊醒建模、仿真和综合分析。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI）。基于以上优点Simulink已被广泛应用于各个的复杂仿真和设计领域，并被大量的第三方软硬件应用。

Buck电路仿真模型搭建：

开环的模型搭建：

图41Buck电路开环模型

开环模型根据基本的Buck电路模型搭建，采用了Mosfet与Diode分别作为开关器件与续流二极管。电感L与电容C的数值由如下过程确定：

1.假设电路的最小负载为10w，又电路要求可知，BUCK电路的占空比变化范围为0.25～0.75；

2.为保证电路工作恒定在连续状态，只需要确保占空比和功率最小时电感电流连续，此时的电感大小为：

以上各值为理论最小值，实际取L=3mH，C=100。

以传递函数的连续型反馈的模块：原先选用了连续型的控制以及PWMGenerator以获得占空比，但是实验证明该方法较为复杂，传递函数也较难得到，并且相应参数的设计难以得到一个较为合适的机会。

电压反馈的模块：此处采用了PI控制，在PWM波形发生器模块中有一个三角波发生模块。在一个周期内，其发出的三角波持续线性增大。PWM波形发生器的另一个主要部件是Relational?Operator，它的作用是将三角波发生器发出的周期信号与经由PI控制器处理过的误差信号相比较，三角波的幅值小于输入的误差信号时，比较器输出高电平；当三角波的幅值增大的大于输入信号时，比较器输出低电平。这样就产生了占空比与误差信号幅值大小成正比的脉冲信号

电流反馈的模块：在电流反馈中加入了LC的滤波的部分以滤去波形中原本较大的纹波。

3.1BUCK电路仿真结果分析

从实验结果来看，无论是电路是采用电压反馈还是电流反馈，都可以完成降低电压至期望值的功能。从响应时间来看，输出电压越高，响应时间越慢。这有可能是由于输出电压较高时，电路误差信号相对于输出信号的大小也相对减少，对电路的控制影响也较小。电流控制的响应速度要略慢于电压控制，这个有可能是因为电流控制系统的的控制信号距离控制部件较远，故控制起效较慢。

无论是电流反馈还是电压反馈，都可以保证系统工作在过阻尼状态下，从而保证系统响应无超调。这对电路安全是很重要的。在电气设备中，接通电源时最容易出现意外，如果此时电压异常增大，则可能对整个电路系统有很大影响。同时，本次设计的系统响应纹波很小，这对利用BUCK电路所搭建的系统意义重大。电源的稳定性决定了整个系统的稳定程度。本次设计的BUCK电路，稳定性达到了预期的要求。

综上所述，本次设计实验结果达到了预期目标。