降压DC/DC变换器的One Cycle控制开题报告

全文总字数：6298字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的

dc/dc 变换器是电力电子领域重要组成部分，在能源紧张的今天，提高dc/dc变换器的效率及功率密度，具有重要的意义。功率器件的发展和软开关技术的提出使变换器高效高功率密度成为可能。本课题的目的是为dc/dc变换器研究实现一种大信号非线性控制方法-单周期控制，该控制方法将变换器的控制和调制集成为一体，适用于各种的变换器控制，不仅成本低廉容易实现，而且鲁棒性好，动态响应快、无跟踪误差。

1.2研究意义

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

(1) 阅读国内外的相关文献。了解本毕业设计相关技术的发展历程及发展趋势，了解DC/DC变换器的基本控制方法和特点，并结合单周期控制原理进行控制设计。

(2) 降压DC/DC变换器的基本工作原理和建模。

(3) 降压DC/DC变换器的常规控制方法和One Cycle控制的基本原理与实现。

(4) 利用单周期降压DC/DC控制器的仿真和实验研究。

2.2研究目标

本课题的目标是为DC/DC变换器研究实现一种大信号非线性控制方法 - One Cycle控制。该控制方法将变换器的控制和调制集成为一体，适用于各种的变换器控制，不仅成本低廉容易实现，而且鲁棒性好，动态响应快、无跟踪误差。课题工作包括：小功率降压DC-DC电路设计制作，One Cycle控制电路的仿真和物理实现，仿真和实验分析。DC/DC变换器参数如下：一、 额定功率：10-100W。二、输入电压：10-15V。三、输出电压：5-7V可调节。四、电压纹波≤1%

2.3拟采用的技术方案

（1）降压DC/DC变换器的数学模型推导和主电路的模型建立

由于开关电源具有的天然的非线性和不连续性，其固有的大信号本质使得其很难直接利用标准线性电路理论来进行分析。要结合控制理论对变换器电路进行线性化处理，建立一个动态的开关变换器主电路模型，有助于分析输入电压、负载电流或占空比中的变量是如何影响输出电压的[11]。

传统上，动态系统的状态空间方法是用来推导开关变换器的小信号平均方程，状态空间平均法是目前研究DCDC变换器建模分析的最常用的方法，是R.D.Middlebrook在1976年提出的，用其能够求得系统小信号传递函数。值得注意的是我们在理想推导中忽略了负载的小信号扰动，而实际情况下的负载扰动会对系统产生一定影响。

（2）降压DC/DC变换器的常规控制的建模仿真

PWM脉宽调制方式是目前开关电源中最广泛应用的调制方式，我们选取此调制方法进行降压DC\DC变换器常规控制的建模，PWM控制部分为主电路部分提供脉冲信号，控制全控器件V的导通和关断，实现整个系统的运行。

PWM调制模块的核心是产生一个在输入电压和负载大小变化的工作情况下能够随之变化的占空比信号，它能够通过上一级的反馈来间接控制开关导通

时间与关断时间的比值来调节输出电压[8]。等幅PWM波的产生可以用定时器产生法或者软件延时法实现，由于后者输出的PWM波易受影响，我们使用前一方法利用51单片机或DSP芯片产生PWM波。

控制电路对主电路的全控型器件V提供控制信号，通过调节占空比就可以实现输出电压的调节，最后在Matlab的simulink中完成仿真模型的搭建和调试，实现了斩波电路的常规控制仿真。

（3）降压DC/DC变换器的单周期控制的建模仿真

单周期控制回路由积分器、比较器、时钟和触发器组成。在每一个开关周期中，时钟脉冲按照恒定频率触发功率开关管V导通，同时积分电路开始工作并且积分值与参考电压比较。当积分器的积分值达到参考电压时，比较器发生跳变，开关管V关闭，积分器同时复位为零。占空比d受参考电压调制，且占空比d与参考电压是一种积分形式的非线性关系。据此，二极管电压平均值的瞬变将在一个开关周期内完成。在每个周期中，二极管电压波形可能会有所不同。但是，只要每个周期中二极管电压波形下的面积与控制参考信号相同，就可以实现对二极管电压Vs的瞬时控制。

图1 单周期控制的原理图

根据原理图在Matlab的simulink中完成仿真模型的搭建和调试，实现降压斩波电路的单周期控制。

（4）单周期斩波电路的硬件实现

对于上述单周期控制DC/DC电路要进行硬件实现，有以下几个步骤：

1. 首先要根据电路实现的目的与其实现要求进行单板设计。

2. 根据设计的仿真电路设计单板的原理图。

3. 进行PCD（Printed Circuit Board）布局和PCD布线设计。

4. BOM（Bill of Material）准备和焊接单板。

5. 进行硬件调试。

（5）实验验证以及比较

采取合适的时钟信号，在Matlab的simulink的仿真调试中比较上述两种不同控制的降压电路的各种性能，如输入电压信号跳变时、输出负载扰动时的输出电压的变化等，总结单周期控制的特点，硬件调试比较其与软件仿真的结果是否一致，并且指出单周期控制的仍存不足以供后续的研究改进。

3. 研究计划与安排

1、完成英文文献翻译（1周）；

2、查阅与毕业设计选题相关的参考文献，撰写开题报告（第2~3周）；

3、建模与仿真研究（第4~9周），前期练习案例的建模流程，学习参数设置，中后期完成课题所需的建模；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈贤明,吕宏水,王伟, 等.单相apfcbuck电路的单周期控制仿真[c].//中国电工技术学会.2008年中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文集.2008.

[2]褚卫东.单周期控制单相boost结构有源功率因数校正电路的研究和应用[d].上海:上海交通大学,2008.

[3]王海腾,王运达,于薇薇.混合动力系统稳定性研究[j].电子设计工程,2019,27(1):111-115,122.