摘 要

近年来，随着电力电子技术的快速发展以及个人消费类电子产品市场的迅速扩大,电子设备的种类越来越多，便携式电子产品也不断向小型化、轻型化转变。因为开关电源具有体积小、重量轻和效率高等优点，所以在各类电子信息设备中得到了普遍应用。

本文首先介绍了DC-DC转换器的四种主要的拓扑结构以及它们的工作原理，并描述了DC-DC转换器的调制方式以及控制方式。其次运用Matlab的仿真工具Simulink搭建Buck-Boost电路的仿真模型，在此基础上对Buck-Boost电路进行了详细的仿真分析，通过PWM技术来改变占空比，从而得到不同的输出电压，并与理论结果进行对比分析,同时将开环系统与闭环系统输出波形进行对比分析。由于开环系统不能获得无静差的电压输出，因此本文设计了一种基于PI控制器的闭环电压控制系统，介绍了闭环系统中的滤波器设计和PI控制器设计方法，通过仿真分析对比了开环和闭环控制系统的动静态性能，仿真结果表明本论文设计的闭环控制系统具有较好的动静态性能。

关键词： DC-DC转换器；Matlab/Simulink；Buck-Boost电路；脉冲宽度调制

Abstract

In recent years, with the development of power electronic technology and the expanding of personal consumer electronics products in the market that the types of electronic equipment are increasing. And portable electronic products continue to become smaller and lighter. Because the advantages of small size, light weight and high efficiency, the switching power has been widely used in all kinds of electronic devices.

This paper introduces four main topological structures of DC-DC converter and their working principle, and it also describes the modulation mode and control mode of DC-DC converter. Secondly, it builds the simulation model of the Buck-Boost chopper by Matlab/Simulink, and makes a detailed analysis about Buck-Boost chopper. Adopting the pulse-duration modulation control mode and occupying the spatial ratio along with the change of pulse width, therefore, we get different output voltages which are compared with theoretical values, and at the same time, the output voltage waveforms of the opened-loop system and the closed-loop system are compared and analyzed. Because the opened-loop system cannot get the output voltage without static error, a closed-loop voltage system basing on PI controller is designed in this paper. It introduces the methods of designing filter and PI controller. The dynamic and static performances of the opened-loop and closed-loop system are compared through the simulation analysis and comparison. The simulation results show that the design of closed-loop control system has good dynamic and static performance.

Keywords：DC-DC Conveter；Matlab/Simulink；Buck-Boost Chopper；PWM

目录

摘要 I

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 研究的目的和意义 1

1.3 国内外研究现状和发展趋势 2

1.4 本文的主要工作 3

第2章 DC-DC转换器简介 4

2.1 开关电源的调制方式 4

2.1.1 PWM调制方式 4

2.1.2 PFM调制方式 4

2.1.3 PWM/PFM混合调制方式 5

2.2 开关电源的拓扑结构 6

2.2.1 Buck转换器 6

2.2.2 Boost转换器 9

2.2.3 Buck-Boost转换器 10

2.2.4 Cuk转换器 12

2.3 开关电源的控制方式 13

2.3.1 电压控制方式 13

2.3.2 电流控制方式 14

2.4 本章小结 15

第3章 Buck-Boost斩波电路的开环设计 16

3.1 Buck-Boost斩波电路原理图 16

3.2 电力电子器件的选择 16

3.2.1 可控开关和二极管的确定 16

3.2.2 储能电感的参数确定 17

3.2.3 滤波电容的参数确定 17

3.3 Buck-Boost斩波电路开环仿真 18

3.3.1 Buck-Boost斩波电路开环仿真模型 18

3.3.2 仿真模型的参数设置 18

3.3.3 仿真波形及其分析 19

3.4 本章小结 22

第4章 Buck-Boost斩波电路的闭环设计 23

4.1 闭环设计的电路总体框架 23

4.2 数字滤波器的设计 23

4.3 PI控制模块 26

4.4 PWM控制电路 27

4.5 闭环仿真波形及其分析 29

4.6 本章小结 32

第5章 结束语 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

附录 35

致谢 36

1. 绪论

1.1 概述

在电力电子技术中，通过某些电力电子变换装置将一种电压值的直流电变换成另外一种固定电压值或者可调电压值的变换称为DC-DC变换，DC-DC变换电路又分为直接直流变流电路和间接直流变流电路^[1]。直接直流变换电路又称为直流斩波电路，通常指直接将一种直流电变为另一种电压不同的直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。在直流变流电路中增加了交流环节的电路称之为间接直流变流电路，在交流环节输入与输出之间的隔离通常采用变压器来实现，所以又称之为DC-AC-DC电路或者带隔离的DC-DC变流电路。直流变换电路的用途十分广泛，包括开关电源、单相功率因数校正、直流电动机传动等等,其中DC-DC变换电路也称为斩波电路，其基本分为6种类型：Buck斩波电路、Boost斩波电路、Buck-Boost斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中Buck斩波电路和Boost斩波电路是最常用的变流电路^[1]。

随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的电子信息类产品出现，DC-DC变换已经普遍应用于生产和生活的各个方面。在地铁、无轨电车、电动车的无级变速和控制等方面也已经普遍采用DC-DC变换技术。DC-DC变换不仅可以调压，而且还可以有效抑制电网侧谐波电流噪声。同时DC-DC变换器是一种高效的混合集成功率器件，其主要利用了高频功率变换技术，利用功率开关器件将直流电压变换成高频开关电压，并完全隔离输入与输出^[2]。DC-DC变换器不仅普遍应用于航空、航天、雷达、通信以及其他领域，另外，DC-DC变换器也遍及远程及数据通讯系统，涉及到国民经济的各行各业。