基于MATLAB 的BUCK 电路设计与仿真

高昕*，郑娥湄，王猛

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

基于MATLAB 的BUCK 电路设计与仿真

高昕*，郑娥湄，王猛

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

利用对电路的仿真设计，使得对BUCK电路的调试与设计更加的简单与容易。本文主要研究 DC/ DC变换器，对 BUCK电路的基本工作原理进行了概括性的阐述，并且设计了电路的元件参数。搭建了 BUCK电路的闭环仿真模型，使其在 MATLAB的SIMULINK里进行仿真，模拟了 BUCK电路的 PID环路控制 最后用仿真的结果来验证我们设计的参数是否正确。从而使得对DC/DC变换器的研究更加简单跟直观。

DC /DC变换器；BUCK电路；MATLAB 仿真

引言

将输入的不可控的直流变换为另一种固定的直流电或可调电压的直流电是DC/DC变换器的主要功能。其在可调直流开关电源及直流电机驱动中得到了广泛应用。BUCK变换器在DC/DC变换器中最具代表性的拓扑结构之一了。开环控制与闭环控制是BUCK变换器的主要控制方式。其中PID控制、PI校正、模糊控制又是闭环控制的主要分类。文章最先建立的模型是 BUCK变换器的，然后再设计电路的模型中利用PI控制校正器。最后在MATLAB中使用仿真结果来验证证确定。

1 仿真技术的介绍

电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，目前所用的电力电子器件均由半导体制成，电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术是20世纪后半时期才诞生和发展的新兴技术，但是21世纪电力电子技术发展十分迅速，如今电力电子技术与 Matlab相结合的教学以及工作十分广泛给我们带来很大便利同时，也促进了技术发展。

Matlab是一个高度集成的系统，它提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真、和分析的软件包，支持线性和非线性系统，能够在连续时间域里进行建模，它同样支持多种采样速率的系统。在过去的几年里，在教学和工业应用中对动态系统进行建模时Simulink成为使用最广泛的软件包。随着Simulink的完善，计算机仿真广泛应用到教学和科研工作之中。特别是对学生教学有着极大便利。

2 电力电子电路的仿真实验系统设计

我们参考其它仿真软件的设计使用方法,并结合教学实际情况,设计了典型电力电子电路仿真实验系统。提供 Simulink仿真模型与Matlab仿真程序,供同学使用。该实验系统十分灵活，学生可以根据自己的理解来设计电路进行相应的仿真，也可以根据仿真的波形进行电压或者RLC参数的的变化，从变化之中找到对应关系，然后结合书本内容，可以让学生了解和掌握更多。

3 BUCK电路工作原理及其参数选择

3.1 BUCK电路工作原理

BUCK型DC /DC变换器电路图如图一所示。选用全控型器件IGBT为其VT，VD为续流二极管。电路的主要功能是将输入的直流电压Uin转换成直流电压Uo。Buck电路有电感电流连续(CCM)和电感电流断续(DCM)2种工作模式。本文进行仿真与设计的是CCM模式，同样的其思想和方法在DCM模式中也可使用[1]。该电路使用的全控型器件是 IGBT，如果想采用其他器件也是允许的，在图一中当IGBT关断时，为了给负载中的电感电流提供通道，设置的续流二极管VD.斩波电路主要用于电力电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。Em为反电动势，若负载中无反电动势，只需将其设为0即可

图1 BUCK主电路原理图Fig.1 BUCK principle diagram of the main circuit

工作过程如下：

如图2（a）所 ，当开关管导通时候，续流二极管由于反向而截止，此时电源对电容进行充电。电感主要是向负载输送能量的。这时电感的电流呈线性增大。同样的储存的磁场能量也增大，负载R上的电流就为输出电流，其两端的电压就是输出电压UO,其为上正下负。在一个开关周期TS内开关管VT导通的时间为Ton。设置的续流二极管VD.斩波电路主要用于电力电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。Em为反电动势，若负载中无反电动势，只需将其设为0即可。

如图2（b）所示当VT关断时，由于电感电流iL不能突变，故iL通过二极管VD续流，电感电滤波电容：

图2 BUCK电路工作过程Fig.2 Working process of BUCK circuit

3.2 参数计算与选择

（2）滤波电感：滤波电感的选择与负载电流的变化范围及希望的工作状态有关，假设电路要求工作在电感电流连续工作状态，则临界电感：

此时 L 值为电感电流连续与否的临界值，实际电感值可选为2倍～3倍的临界电感。

（3）滤波电容： 电容的容量，会影响输出纹波电压和超调量的大小。在开关关断时为负载供电和减小输出电压的纹波，滤波电容C的选择直接关系开关稳压电源输出中纹波电压分量 U0大小。滤波电容主要为了消除谐波的影响，让电路波形更加的稳定。

（4）其他参数根据实际值选择[4-5]。

4 基于MATLAB仿真模型

4.1 闭环BUCK电路模型及仿真

图3 BUCK电路的闭环仿真系统Fig.3 Closed-loop simulation system BUCK circuit

仿真参数设置：

（1）电压设定值为100V。

（2）系统选用PI控制器：Kp=3，Ki=5。

（3）负载参数设置平波电抗：1H，阻性负载：R=10Ω，滤波电容：2e-4F。

（4）仿真器参数设置仿真时间0-1s；仿真算法：ode45，其他参数设为默认值。

模型参数设置完成后，即可进行仿真，分别得到闭环电感电流和闭环输出电压的波形如图4和图5所示，闭环负载电压的波形如图6所示

图4 闭环电感电流波形图Fig.4 Waveforms of closed-loop inductor current

图5 闭环输出电压波形图Fig.5 Waveforms of closed-loop output voltage

图6 闭环负载电压的波形图Fig.6 Waveforms of closed-loop load voltage

4.2 开环BUCK电路模型及仿真

图7 BUCK电路的开环仿真系统Fig.7 Open-loop simulation system BUCK circuit

通过应用Matlab/Simulink对Buck变换器进行建模，开环仿真系统仿真模型如图7所示。

仿真参数设置：

（1）触发脉冲参数period设为0.02s，pulse width设为50%，其他参数设为默认值。

（2）负载参数设置平波电抗：1H，阻性负载：R=10Ω，滤波电容：2e-4F。

（3）仿真器参数设置仿真时间0-1s；仿真算法：ode45，其他参数设为默认值。

模型参数设置完成后，即可进行仿真，分别得到开环电感电流和输出电压的波形如图8和图9所示。

图8 开环输出电压波形图Fig.8 Waveforms of open-loop output voltage

图9 开环电感电流波形图Fig.9 Waveforms of open-loop inductor current

开环负载电压的波形如图10所示。

图10 开环负载电压波形图Fig.10 Waveforms of open-loop load voltage

4.3 BUCK电路仿真分析

根据电流电压波形可以看出闭环系统的响应速度更快，超调量减小，得到的电感流和输出电压波动更小，即输出更加稳定。但闭环控制电路中的全控型开关器件IGBT的开关频率比开环控制更高。

我们把设计的电力电子电路仿真用于电力电子教学之中，会使得课堂变得十分生动，学生可以根据自己设计的电路进行仿真操作然后结合书本知识，进行修改，同时可以把自己设定的RL值进行改动会看到不一样的图形，可以直观的看到电压和电流值的大小以及变动，会让学生记忆深刻而且更容易掌握知识点，同时也可以熟悉Matlab这个学习软件在电力电子电路仿真中的应用。

5 结束语

本文基于BUCK电路原理和MATLAB仿真工具箱Simulink，构建了 BUCK电路的闭环仿真模型，设置参数进行仿真。由仿真结果可以得知所设计的参数的正确性，同时展现了 BUCK电路闭环控制的优越性，打破了传统的电路开环仿真的限制，能对控制回路进行精确仿真，准确模拟和指导实际电路设计,此方法可以适用于其他的拓扑结构，使得以后在其他的设计中埋下基础，也使得电路的设计更加的方便。对比了开环闭环的，使得结果更加精确。

[1]王兆安,刘进军. 电力电子技术[D]. 机械工业出版社.

[2]祝龙记. 电气与自动化控制系统的 MATLAB仿真[D]. 中国矿业大学出版社.

[3]李维波. MATLAB在电气工程中的应用[D]. 中国电力出版社.

[4]林真,陈道炼. Buck型变换器电路结构及其演化过程[J]. 通信电源技术,2010,27(2)： 5-8.

[5]朱春华,王建国. Matlab/Simulink在 DC-DC变换器仿真中的应用,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,郑娥湄,王猛. 基于MATLAB的BUCK电路设计与仿真[J]. 数码设计,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，硕士生导师，多年来一直从事控制工程与电力传动及控制技术方面的研究和教学工作，获2011年度校优秀教师，承担安徽理工大学博士基金配电质量技术在小系统中的应用研究项目。

Email：476398438@qq.com