《电力电子转换电路建模与控制》作业2
姓名：胡志健学号：2141130
一、设计要求：
额定输入电压DC 12V，输出电压18V。

输出电流5A，电压纹波0.1V,闭环控制，输入电压在10~14V变化或负载电流2~5A变化时，稳态输出能保持在18V。

二、设计原理及方案
1. 电路采用闭环增益补偿式Boost电路实现设计要求。

原理图如下所示：
图1 Buck升压电路原理图
2. 参数计算
分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I l，同时电容C上的电压向负载R供电。

因C值很大，基本保持输出电压u o为恒指，记为U o。

设V处于通态的时间为t on，此阶段电感L上积蓄的能量为EI l t on。

当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。

设V处于断态的时间为t off，则在此期间电感L释放的能量为
(U o−E)I l t off
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
EI l t on=(U o−E)I l t off
化简得
U o=(t on+t off)×E/t off=TE/t off
式中，T/t off≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

根据占空比定义
α=t on/T
可以将输出电压表示为
U o=E/(1−α)
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：
（1）电感L储能之后具有使电压泵升的作用；
（2）电容C可将输出电压保持住。

3. 模型优化
在借助电路仿真软件时，建模时需考虑到现实世界中电子器件特性。

为进一步切合实
际应用场合选择的Boost增益反馈控制电路图，如下所示：
图2 增益补偿式Boost电路
可以看到，在图2中对电感、电容、二极管以及开关管都做了实际化处理。

此外，在
输出电压端采用电阻分压反馈方式，将实际输出反馈给PWM控制器，进而控制开关管SW。

4. 仿真电路
4.1 主电路结构图
图3 升压电路系统结构图
4.2 Boost升压部分
图4 Boost升压斩波电路
4.3 信号计算
图5 输出电压与电感电流计算5. 反馈设计与增益补偿
5.1 反馈电路设计
如下图6所示，实际输出电压V out与参考电压V ref比较产生误差信号，传递给反馈函数做进一步计算。

图6 电压负反馈设计
5.2 增益补偿设计与传函设计
为了将实际输出电压与参考电压比较后偏差进一步放大并转换为控制PWM脉冲。

设计如下图6所示的增益补偿式电路，原型如下：
图7 增益补偿式反馈
根据增益补偿式电路，计算出反馈传函为
H(s)=
(sC2(R1+R3)+1)(sC1R2+1)
(sR1(C1+C3))(sC2R3+1)(s
C1C3R2
C1+C3+1)
≈
(sC2(R1+R3)+1)(sC1R2+1)
(sR1(C1+C3))(sC2R3+1)(sR2C3+1)
,if C1≻≻C3
根据设计要求，计算出补偿反馈传函为：
H(s)=6.955×10−8s2+0.003095s+34.44 2.314×10−12s3+3.042×10−6s2+s
其对应的波特图如下：
图8 增益式补偿传函幅频特性
6. 仿真结果
参数选择：
V g=10∼14V R=3.6Ω
f s=100kHz
r L=0.005Ωr C=0.01Ω
C=43.75μF
L=2.88μH r on_1=0.02Ωr on_2=0.02Ω
(1) 输入电压V g=12V,R load=3.6Ω时，系统输出电压如下所示：
图9 输入电压V g=12V输出电压曲线
(2) 输入电压V g=10V,R load=3.6Ω时，系统输出电压如下所示：
图10 输入电压V g=10V输出电压曲线
(3) 输入电压V g=14V,R load=3.6Ω时，系统输出电压如下所示：
图10 输入电压V g=14V输出电压曲线
6.4 输入电压V g=12V,R load=[3.2 5.4 2.66]Ω时，系统输出电压如下所示：
图11负载电阻R load变化时输出电压曲线
7. 总结
本次实验，主电路采用Boost增益补偿方式升压电路，实现了输入电压V g=10∼14V变化时，输出电压稳定在18V附近特性。

并且电压纹波在0.1V以内，较好的实现了要求的18V稳压要求。

此外，负载电阻R load=2.66∼5.4Ω变化时，输出电压仍最终稳定在18V附近。

可见系统对于外界变化具有一定的鲁棒性。