DC-DC开关变换器建模、仿真与补偿网络设计研究

摘要

在开关电源的设计过程中，开关变换器的建模和仿真是至关重要的一个环节，精确的系统动态模型是设计出高质量的闭环控制回路的基础，合理的闭环补偿网络是控制效果好坏的关键。借助于仿真软件，对系统进行仿真则可以比较精确地预测系统的输入输出特性及动态性能，并能反复修改和优化电路参数，可以大大缩短开发时间。
　　本文先是系统介绍了PWM型DC/DC开关变换器的几种基本拓扑，它们是组成各种开关电源主电路的基础，由它们可以延伸变化出许许多多的实际应用的开关电源拓扑。然后介绍了两种最为常用的仿真方法即Simulink下的系统级仿真和专业仿真软件Saber下的元件级仿真，本文中主要是用到了Saber仿真。介绍了PWM型DC/DC开关变换器的常见的几种建模方法，并分别运用状态平均法、电路平均法对全面考虑了实际电路寄生参数的Buck、Boost变换器进行了详细建模，得到了考虑寄生参数、可以直接运用于工程实际的小信号模型，并在专业的电源仿真软件Saber中通过网络分析元件对环路扫频，得到了实际的频率特性以证实建模的正确性。研究了开关变换器闭环补偿网络的设计及运用Matlab及Matlab控制工具箱的Sisotool工具对开关变换器补偿网络进行设计的方法，总结和分析了不同控制模式下的补偿方案，最后以CCM模式下电压控制型Buck变换器为例，用传统的配置零极点的方法，结合Sisotool强大的交互式功能设计了类型3补偿网络，同时还在Sisotool中运用PID调节自整定参数功能设计了PID补偿网络，并在Saber里分别对得到的实际电路进行了仿真，比较了两种补偿网络的实际效果，指出了传统配置零极点设计补偿网络方法的缺陷并提出了改进。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 DC-DC开关变换器研究现状

1．3 DC-DC开关变换器的发展趋势

1．3．1 数字化

1．3．2 智能化

1．3．3 绿色化

1．4 本文主要内容及结构安排

第2章 DC-DC开关变换器基础知识

2．1 基本拓扑

2．1．1 Buck变换器

2．1．2 其他基本变换器稳态分析

2．2 开关变换器的仿真

2．2．1 仿真的意义及重要性

2．2．2 DC-DC开关变换器常用的仿真方法

2．3 小结

第3章 DC-DC开关变换器的平均法建模

3．1 引言

3．2 状态空间平均法

3．3 Buck变换器的状态空间平均法建模

3．3．1 开关闭合状态分析

3．3．2 开关断开

3．3．3 仿真验证

3．4 电路平均法建模

3．4．1 三端开关模型法

3．4．2 等效受控源法

3．4．3 能量守恒法

3．5 用能量守恒法对非理想Boost变换器建模

3．5．1 建模过程

3．5．2 仿真验证

第4章 DC-DC开关变换器闭环补偿网络的设计

4．1 引言

4．2 环路稳定性判定及补偿原则

4．3 常见补偿网络

4．4 补偿网络的选择

4．4．1 电压控制

4．4．2 电流控制

4．4．3 V2控制方式

4．5 小结

第5章 基于Sisotool设计电压控制型Buck变换器补偿环路

5．1 引言

5．2 电压控制模式下配置零极点设计3型补偿网络

5．3 利用Sisotool的自动调节设计补偿环路

5．3．1 PID调节简介

5．3．2 鲁棒响应法整定PID参数

5．4 两种补偿效果比较

5．5 小结

第6章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

致谢