基于Simulink模型的Buck变换器设计与控制

吴旭东

(三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000)

0 引言

Buck变换器应用领域极其广泛，常用于航空航天的动力装置、电动汽车燃料电池、电子设备的充电装置、变电站蓄电瓶等各种电源管理系统。尤其是在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的快速充放电[1]。 传统的Buck变换器存在输入、输出的电流脉动，对输入端电源产生电磁干扰，导致输出端电压纹波较大，轻则影响变换器的稳压效果，重则会烧毁低压电源[2]。

1 Buck变换器设计与控制

1.1 设计方案

图1为待设计的Buck变换器的控制原理图，主要包括：Buck变换器主电路、驱动电路、控制电路等组成，其中控制电路由SG3525芯片组成产生PWM控制信号，控制MOSFET的导通和关断。设计以IR2110为主芯片的驱动电路对MOSFET进行驱动，并为该电路提供直流稳压电源以驱动芯片的正常工作。

图1 控制原理框图

1.2 Buck变换器的电路设计

针对Buck变换器的主电路的设计主要是对其参数进行设计。Buck主要参数包括占空比D、滤波电感的参数L、滤波电容的参数。

图2 电路图

(1)占空比D

以Buck电路为主拓扑的开关电源为例，其电路参数为：输入电压48V，输出电压24V，输出功率为150W。可得本次设计占空比D为[3]：

(1)

(2)

式中：ton为开关开通时间，ts为开关周期。

(2)滤波电感量的计算

所设计电路负载较小时，若电路中的电流连续没有出现断续的情况，减小占空比的值以得到理想的输出电压。为了得到良好的输出电压波形，降低输出电压纹波，采取电流连续模式。

当开关管VT闭合时，根据电流连续模式工作模态可知[4]：

(3)

检测模块由主控芯片、传感器、CC1101无线射频模块组成。主控芯片统一采用STM32F103C8T6，温湿度传感器采用DHT11，单总线DATA引脚外接上拉电阻与主控芯片I/O口连接。光照度传感器采用BH1750，内置A/D转化器，与主控芯片采用IIC总线协议通信。CO2传感器采用MH-Z19，与主控芯片采用串口通信。土壤温湿度传感器采用SHT10，与主控芯片采用IIC总线协议通信[10]。

当开关管VT断开时，根据电流连续模式工作模态有：

(4)

综上所述，电感电流连续时的波形如图3所示：

图3 电感电流连续时波形

其中，平均电流Io=P/Uo=150/24=6.25(A)，工程上，正常取电流波动量20%～30%，在这里取电流的波动量20%，得出纹波电流ΔiL=6.25*20%=1.25(A)。

当电感电流处于临界状态时[5]：

(5)

整理可得：

(6)

Buck电路中，当电感取值过小时，对电流平波作用过于弱，可能使得电感电流断续，因此，为了保证电感电流连续，电感L应大于电感电流临界状态时的电感。可得：

(7)

即：实际电感取两倍裕量后L=0.96mH。

(3)滤波电容量的计算

(8)

Buck电路中，电容充电电荷为：

ΔQ=CΔU

(9)

从能量的角度看，电感在平均电流之上的部分，也就是电感给电容充电的部分，所以有：

ΔS=ΔQ

(10)

三式推导可得：

(11)

根据上述推导的电容公式(11)可得C=32.55μF，又因为实际中最接近的电容档位为47μF，故电容取

C=47μF

根据Buck变换器的参数计算结果，可以设计出Buck变换器的Simulink仿真模型如图4所示：

图4 Buck变换器在MATLAB中仿真模型图

1.3 双闭环控制器的设计

图5 双闭环控制框图

由于Buck电路的输出电压会随着负载的变化而改变，为了稳定输出电压，本文采用双闭环控制，即为电压外环和电流内环控制。通过采集到负载电压UFB与参考电压Uref经过误差放大器得到电压ue，再经过调节器得到参考电流iref并与主电路中经霍尔电流检测的电流值iFB进行比较，最终实现脉宽调制。设计的闭环控制框图为图5。

包括输入滤波模块、Buck变换器主电路模块、反馈电路模块、UC2842控制电路模块以及IR2110驱动电路构成。其中为了达到输出的稳定,输出端采用了电压反馈电路。这个反馈电路主要使用了TL431和PC817组成了外部误差电压放大器。就是对输出电压进行采样把电压输出的信号反馈给控制芯片UC2842然后自动调节脉宽达到稳定。这样使用的优点在于实现了电气隔离最大限度的减少干扰提高稳定性。

1.4 驱动电路与隔离电路的设计

采用IR2110芯片将控制电路的信号(PWM)进行放大从而对Mosfet管进行驱动，驱动电路原理图如图6所示：

图6 驱动电路原理图

由于芯片的供电电压为5V，为了使芯片正常工作，采用7805将15V电压稳压为5V对IR2110进行供电，稳压电路原理图如图7所示：

图7 稳压电路原理图

为了将PWM信号和电路进行电气隔离，采用6N137对驱动电路进行光耦隔离，光耦隔离电路原理图如图8所示：

图8 光耦隔离电路原理图

2 实验验证

2.1 仿真验证

根据图4所示，设置仿真所用的参数如下：

使用参数对Matlab仿真模型进行调试，调试所得运行结果如下图所示：

图9 仿真结果

由图9(a)可知，输出电压最后稳定在24V左右，其纹波电压ΔU=0.07V，在允许的误差范围之内，纹波电压也满足设计要求；由图9(b)可知，电感电流为连续的，其中纹波电流，ΔiL=6.8-5.6=1.2A符合设计的要求。

2.2 通电测试

将输入电压设置为48V、占空比0.5时，对电路进行实验，得到的结果如图10所示：

图10 通电测试结果

当输入电压为48V时，其占空比为0.5，从示波器图形上由上至下依次显示结果为PWM波形、输入电压波形、输出电压波形、电感电流波形，可以得出输出电压最终稳定在24V，纹波电压80mV，达到高稳压、低纹波性能。

3 结语

针对传统的Buck变换器稳压差、纹波幅度大的缺点，设计此款具有双闭环控制器的Buck电路，建立了Matlab仿真模型，并从理论与实验中验证了该变换器具有高稳压、低纹波的性能，符合设计的要求。