数字控制Buck变换器的Simulink仿真

安徽理工大学 张林青 张玉全

本文针对buck变换器进行了建模，并对此buck电路采用了离散控制器，利用Matlab/Simulink进行了建模及仿真，仿真结果证明了buck变换器模型和离散控制器设计的正确性。

1 引言

传统电力电子变换器常用模拟控制方法，但由于数字控制有很多优点，电力电子变换器越来越多地采用数字控制，所以有必要对数字控制进行研究。

本文首先对buck变换器主电路进行了建模，然后设计出控制电路z域控制器，并在Simulink中进行了电路仿真。

2 电路的模型

2.1 buck主电路的模型

主电路参数取为：Vin=5V，期望输出电压Vout=1.6V，最小负载电RL=0.1ohm，PWM频率fpwm=250kHz，电压采样频fs=250kHz。输出滤波器参数：L=1.0uH，C=1620uF，Rc=0.004Ohm。buck电路结构如图1所示。

由电路原理可推导出buck主电路系统公式：

其中iL为电感电流。Vg为占空比，Vout为输出电压，Vc为电容电压，iout为输出电流。

以上式子在simulink中的仿真模型如图2所示，（此模型作为子系统被封装到图3中的“buck converter1”模块中）：

2.2 离散控制器模型

离散控制器可将传统模拟控制器离散化得到，所以首先设计出模拟控制器。

图1 buck变换器的结构

图2 buck变换器主电路的simulink模型

图3 buck变换器的数字控制模型

图4 输出电压波形

1）利用传统模拟控制器设计方法设计得到此Buck电路的控制器s域表达式如下（Shamim Choudhury.Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply.TEXAS INSTRUMENTS,2005）：

2）利用MATLAB的“c2d”函数将上式的模拟控制器离散化得到数字控制器，所得数字控制器的z域表达式如下：

3 仿真模型

模型如图所示其中包含了buck主电路、离散控制器模块、数字PWM，A/D变换器。并加入了动态负载“step load”模块，以观测电路的动态性能（Introduction to MATLAB/Simulink for witched-mode power converters.Colorado Power Electronics Center University of Colorado）。buck变换器的数字控制模型如图3所示。

4 仿真结果及结论

图4所示为仿真结果，从输出电压Vo的波形可以看出：电压稳定在1.6v左右，刚好与期望输出电压相同，且在仿真的第1秒时刻，从电路中切掉动态负载，2秒时刻重新加入此负载，此时电路仍能保证良好的控制作用。

仿真结果证明了buck主电路模型、离散控制器模型设计的正确性，我们可以根据此电路及控制器参数进行实际电路设计，例如：可采用DSP作为控制器实现此电路的控制。