高昕*，鄭娥湄，王猛

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

基于MATLAB 的BUCK 電路設計與仿真

高昕*，鄭娥湄，王猛

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

利用對電路的仿真設計，使得對BUCK電路的調(diào)試與設計更加的簡單與容易。本文主要研究 DC/ DC變換器，對 BUCK電路的基本工作原理進行了概括性的闡述，并且設計了電路的元件參數(shù)。搭建了 BUCK電路的閉環(huán)仿真模型，使其在 MATLAB的SIMULINK里進行仿真，模擬了 BUCK電路的 PID環(huán)路控制 最后用仿真的結果來驗證我們設計的參數(shù)是否正確。從而使得對DC/DC變換器的研究更加簡單跟直觀。

DC /DC變換器；BUCK電路；MATLAB 仿真

引言

將輸入的不可控的直流變換為另一種固定的直流電或可調(diào)電壓的直流電是DC/DC變換器的主要功能。其在可調(diào)直流開關電源及直流電機驅(qū)動中得到了廣泛應用。BUCK變換器在DC/DC變換器中最具代表性的拓撲結構之一了。開環(huán)控制與閉環(huán)控制是BUCK變換器的主要控制方式。其中PID控制、PI校正、模糊控制又是閉環(huán)控制的主要分類。文章最先建立的模型是 BUCK變換器的，然后再設計電路的模型中利用PI控制校正器。最后在MATLAB中使用仿真結果來驗證證確定。

1 仿真技術的介紹

電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術，目前所用的電力電子器件均由半導體制成，電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術是20世紀后半時期才誕生和發(fā)展的新興技術，但是21世紀電力電子技術發(fā)展十分迅速，如今電力電子技術與 Matlab相結合的教學以及工作十分廣泛給我們帶來很大便利同時，也促進了技術發(fā)展。

Matlab是一個高度集成的系統(tǒng)，它提供的Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真、和分析的軟件包，支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域里進行建模，它同樣支持多種采樣速率的系統(tǒng)。在過去的幾年里，在教學和工業(yè)應用中對動態(tài)系統(tǒng)進行建模時Simulink成為使用最廣泛的軟件包。隨著Simulink的完善，計算機仿真廣泛應用到教學和科研工作之中。特別是對學生教學有著極大便利。

2 電力電子電路的仿真實驗系統(tǒng)設計

我們參考其它仿真軟件的設計使用方法,并結合教學實際情況,設計了典型電力電子電路仿真實驗系統(tǒng)。提供 Simulink仿真模型與Matlab仿真程序,供同學使用。該實驗系統(tǒng)十分靈活，學生可以根據(jù)自己的理解來設計電路進行相應的仿真，也可以根據(jù)仿真的波形進行電壓或者RLC參數(shù)的的變化，從變化之中找到對應關系，然后結合書本內(nèi)容，可以讓學生了解和掌握更多。

3 BUCK電路工作原理及其參數(shù)選擇

3.1 BUCK電路工作原理

BUCK型DC /DC變換器電路圖如圖一所示。選用全控型器件IGBT為其VT，VD為續(xù)流二極管。電路的主要功能是將輸入的直流電壓Uin轉(zhuǎn)換成直流電壓Uo。Buck電路有電感電流連續(xù)(CCM)和電感電流斷續(xù)(DCM)2種工作模式。本文進行仿真與設計的是CCM模式，同樣的其思想和方法在DCM模式中也可使用[1]。該電路使用的全控型器件是 IGBT，如果想采用其他器件也是允許的，在圖一中當IGBT關斷時，為了給負載中的電感電流提供通道，設置的續(xù)流二極管VD.斬波電路主要用于電力電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。Em為反電動勢，若負載中無反電動勢，只需將其設為0即可

圖1 BUCK主電路原理圖Fig.1 BUCK principle diagram of the main circuit

工作過程如下：

如圖2（a）所 ，當開關管導通時候，續(xù)流二極管由于反向而截止，此時電源對電容進行充電。電感主要是向負載輸送能量的。這時電感的電流呈線性增大。同樣的儲存的磁場能量也增大，負載R上的電流就為輸出電流，其兩端的電壓就是輸出電壓UO,其為上正下負。在一個開關周期TS內(nèi)開關管VT導通的時間為Ton。設置的續(xù)流二極管VD.斬波電路主要用于電力電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。Em為反電動勢，若負載中無反電動勢，只需將其設為0即可。

如圖2（b）所示當VT關斷時，由于電感電流iL不能突變，故iL通過二極管VD續(xù)流，電感電濾波電容：

圖2 BUCK電路工作過程Fig.2 Working process of BUCK circuit

3.2 參數(shù)計算與選擇

（2）濾波電感：濾波電感的選擇與負載電流的變化范圍及希望的工作狀態(tài)有關，假設電路要求工作在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)，則臨界電感：

此時 L 值為電感電流連續(xù)與否的臨界值，實際電感值可選為2倍～3倍的臨界電感。

（3）濾波電容： 電容的容量，會影響輸出紋波電壓和超調(diào)量的大小。在開關關斷時為負載供電和減小輸出電壓的紋波，濾波電容C的選擇直接關系開關穩(wěn)壓電源輸出中紋波電壓分量 U0大小。濾波電容主要為了消除諧波的影響，讓電路波形更加的穩(wěn)定。

（4）其他參數(shù)根據(jù)實際值選擇[4-5]。

4 基于MATLAB仿真模型

4.1 閉環(huán)BUCK電路模型及仿真

圖3 BUCK電路的閉環(huán)仿真系統(tǒng)Fig.3 Closed-loop simulation system BUCK circuit

仿真參數(shù)設置：

（1）電壓設定值為100V。

（2）系統(tǒng)選用PI控制器：Kp=3，Ki=5。

（3）負載參數(shù)設置平波電抗：1H，阻性負載：R=10Ω，濾波電容：2e-4F。

（4）仿真器參數(shù)設置仿真時間0-1s；仿真算法：ode45，其他參數(shù)設為默認值。

模型參數(shù)設置完成后，即可進行仿真，分別得到閉環(huán)電感電流和閉環(huán)輸出電壓的波形如圖4和圖5所示，閉環(huán)負載電壓的波形如圖6所示

圖4 閉環(huán)電感電流波形圖Fig.4 Waveforms of closed-loop inductor current

圖5 閉環(huán)輸出電壓波形圖Fig.5 Waveforms of closed-loop output voltage

圖6 閉環(huán)負載電壓的波形圖Fig.6 Waveforms of closed-loop load voltage

4.2 開環(huán)BUCK電路模型及仿真

圖7 BUCK電路的開環(huán)仿真系統(tǒng)Fig.7 Open-loop simulation system BUCK circuit

通過應用Matlab/Simulink對Buck變換器進行建模，開環(huán)仿真系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

仿真參數(shù)設置：

（1）觸發(fā)脈沖參數(shù)period設為0.02s，pulse width設為50%，其他參數(shù)設為默認值。

（2）負載參數(shù)設置平波電抗：1H，阻性負載：R=10Ω，濾波電容：2e-4F。

（3）仿真器參數(shù)設置仿真時間0-1s；仿真算法：ode45，其他參數(shù)設為默認值。

模型參數(shù)設置完成后，即可進行仿真，分別得到開環(huán)電感電流和輸出電壓的波形如圖8和圖9所示。

圖8 開環(huán)輸出電壓波形圖Fig.8 Waveforms of open-loop output voltage

圖9 開環(huán)電感電流波形圖Fig.9 Waveforms of open-loop inductor current

開環(huán)負載電壓的波形如圖10所示。

圖10 開環(huán)負載電壓波形圖Fig.10 Waveforms of open-loop load voltage

4.3 BUCK電路仿真分析

根據(jù)電流電壓波形可以看出閉環(huán)系統(tǒng)的響應速度更快，超調(diào)量減小，得到的電感流和輸出電壓波動更小，即輸出更加穩(wěn)定。但閉環(huán)控制電路中的全控型開關器件IGBT的開關頻率比開環(huán)控制更高。

我們把設計的電力電子電路仿真用于電力電子教學之中，會使得課堂變得十分生動，學生可以根據(jù)自己設計的電路進行仿真操作然后結合書本知識，進行修改，同時可以把自己設定的RL值進行改動會看到不一樣的圖形，可以直觀的看到電壓和電流值的大小以及變動，會讓學生記憶深刻而且更容易掌握知識點，同時也可以熟悉Matlab這個學習軟件在電力電子電路仿真中的應用。

5 結束語

本文基于BUCK電路原理和MATLAB仿真工具箱Simulink，構建了 BUCK電路的閉環(huán)仿真模型，設置參數(shù)進行仿真。由仿真結果可以得知所設計的參數(shù)的正確性，同時展現(xiàn)了 BUCK電路閉環(huán)控制的優(yōu)越性，打破了傳統(tǒng)的電路開環(huán)仿真的限制，能對控制回路進行精確仿真，準確模擬和指導實際電路設計,此方法可以適用于其他的拓撲結構，使得以后在其他的設計中埋下基礎，也使得電路的設計更加的方便。對比了開環(huán)閉環(huán)的，使得結果更加精確。

[1]王兆安,劉進軍. 電力電子技術[D]. 機械工業(yè)出版社.

[2]祝龍記. 電氣與自動化控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真[D]. 中國礦業(yè)大學出版社.

[3]李維波. MATLAB在電氣工程中的應用[D]. 中國電力出版社.

[4]林真,陳道煉. Buck型變換器電路結構及其演化過程[J]. 通信電源技術,2010,27(2)： 5-8.

[5]朱春華,王建國. Matlab/Simulink在 DC-DC變換器仿真中的應用,2008,(5)： 9-12.

Design and Simulation of BUCK Circuit Based on MATLAB

GAO Xin*,ZHENG Emei,WANG Meng
(School of electrical and information engineering,Anhui University of Science and Technology,Anhui Huainan,232001,China)

In order to improve the design and debugging of the BUCK circuit,the circuit can be simulated by software. This paper studies the DC/DC converter,describes the working principle of the BUCK circuit,and the circuit parameters of the components are designed. Using MATLAB software,Simulink toolbox,build open and closed loop BUCK circuit simulation model,simulation of the open loop and PID loop control circuit BUCK. And two kinds of simulation model were compared. The results show the correctness of parameter design,research and application of DC / DC converter provides an ideal tool.

DC/DC converter,BUCK circuit,MATLAB ,Simulation

TP391.9；TM743

A

1672-9129(2017)06-0114-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.039

高昕,鄭娥湄,王猛. 基于MATLAB的BUCK電路設計與仿真[J]. 數(shù)碼設計,2017,6(6)： 114-117.

Cite：GAO Xin,ZHENG Emei,WANG Meng. Design and Simulation of BUCK Circuit Based on MATLAB[J]. Peak Data Science,2017,6(6)：114-117.

2017-02-03；

2017-03-12。

高昕（1965－）女，安徽淮南人，博士，副教授，碩士生導師，多年來一直從事控制工程與電力傳動及控制技術方面的研究和教學工作，獲2011年度校優(yōu)秀教師，承擔安徽理工大學博士基金配電質(zhì)量技術在小系統(tǒng)中的應用研究項目。

Email：476398438@qq.com