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1、 论文题目：电压控制型 Boost 变换器系统的分析与设计 专 业：电路与系统 硕 士 生：郭俊锋 （签名） 指导老师：倪云峰 （签名） 摘 要 以 DC-DC 变换器为核心的开关电源已经深入应用到电子产品领域。为了满足便携式电子产品的输入电压的要求，Boost DC-DC 变换器电路拓扑已成为典型的选择，因此研究 Boost DC-DC 变换器系统的分析和设计方案具有重要的意义。 本文首先以 Boost DC-DC 变换器为研究对象，对其基本原理、结构、特点进行了深入的研究，详细分析了工作在 CCM 模式下主电路元件的电应力，在输入电压和负载电阻变化的动态范围内得到了最坏工况的应力点； 通过
2、 Maple 软件仿真验证了其结论的正确性。 其次采用状态空间平均法对主电路进行线性化， 得到变换器控制占空比到输出的传输函数；然后对电压控制型 Boost DC-DC 变换器系统组成进行分析，详细推导了开环传递函数，从小信号模型角度研究了系统特性。在此基础上，对电压控制型 Boost DC-DC变换器系统在频域中进行稳定性分析，采用 Bode 图法对 PID 补偿网络进行详细的分析和设计，得到了 III 型双零点-双极点 PID 补偿网络，改进了系统的稳定性。 最后，给定 Boost DC-DC 变换器系统参数，用 Saber 软件对改进的电路进行仿真验证，仿真结果表明该方法达到了预期的稳定
3、效果；根据设计方案完成了实验电路设计和制作，并对整个系统进行了测试和分析。测试结果表明，Boost DC-DC 变换器系统的技术参数完全满足实际应用的要求，验证了设计方案的可行性。 关 键 词：Boost DC-DC 变换器；电应力分析；状态空间平均法；补偿网络 研究类型：应用研究 Subject : Analysis and Design of Voltage Mode Control Boost DC-DC Converter System Specialty : Circuits and Systems Name : Guo Junfeng (Signature) Instructor
4、: Ni Yunfeng (Signature) ABSTRACT Switching power supply with DC-DC converter as transfer key is applied to electronic product fields. To meet requirements of the input voltage of portable electronic products, Boost DC-DC converter is becoming the typical circuit topology, therefore research deeply
5、on analysis and design of the Boost DC-DC converter has very important meaning. Taking Boost DC-DC converter as the research object firstly, in the paper, studying deeply its basic principle, structure, characteristics, analyzing electrical stress of the major elements in CCM (Continuous Conduction
6、Mode), and obtaining the worse case point in the dynamic range of the input voltage & load resistor. An simulation is made with Maple software, the results validate the accuracy of the conclusion. Secondly, using state-space average method to linearize the main circuit to obtain transfer function of
7、 the converter from the control duty cycle to the output, analyzing Boost DC-DC converter system based on voltage-mode control, and deducing the open-loop transfer function in detail, meanwhile, the system characteristics based on small signal mode is studied deeply. Based on which, the stability of
8、 the converter system is analyzed in frequency domain, then using Bode method to analyze and design the PID compensation network to obtain the dual-zeros & dual-poles type III operational amplifier compensation network, the stability of the converter system have been improved. Finally, according to
9、given parameters of the converter system, using Saber software to simulate the improved circuit, and the results of which show that the system has reached stability effects. In terms of design scheme, the experimental circuit is designed and accomplished, and then via test, the results show that all
10、 technical parameters of the Boost DC-DC converter meet actual requirements completely and the design proposed is feasible. Key words: Boost DC-DC converter Electrical stress State-Space average method Compensation network Thesis : Application Research 1 恊论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 信息技术的迅速发展， 极大地推动着高频功率开
11、关变换技术的研究和应用。 近年来，国内外电力电子技术界在高频开关功率变换器的拓扑、控制、电力半导体器件和磁性元件、建模和系统设计以及电力电子系统集成等方面做了大量卓有成效的工作。 开关变换器是一个带有闭环控制的高阶-离散-非线性-时变系统， 不能直接应用经典控制理论分析和设计，给开关调节系统的动态分析和设计带来了很大的困难。自 20 世纪 80 年代以来， 开关变换器的建模和控制一直是电力电子学研究领域的重要内容之一，并已取得了许多成果，在理论方面基本接近完整，在工程实际应用方面也基本成熟。开关变换器的建模与控制受到国内外普遍重视的原因： 其一， 随着开关变换器的广泛应用，特别是在信息产业中的
12、应用，对其动态特性提出了新的要求；其二，随着高频功率开关器件的普遍使用，为改善开关变换器的动态特性提供了物质条件；其三，随着对开关变换器研究的深入，研究者为了充分发挥高频功率器件的性能，设计出能够满足市场要求的高性能电源产品，需要一种系统的理论来指导其动态设计。开关变换器的建模与控制是研究开关变换器动态特性的基础1-6。 电力电子装置需要满足一定的静态指标和动态指标，如电压调整率、负载调整率、输出精度、纹波、动态响应时间、变换效率、功率密度、并联模块的不均流度、功率因数和 EMC 等。这些指标可以分为两类，一类与主电路设计相关联，另一类与控制系统的设计相关联。变换效率、功率密度、纹波等技术指标
13、主要与主电路设计有关，如主电路的拓扑、磁设计、热设计、功率元件驱动等，与控制系统的设计相关联的技术指标有电压调整率、负载调整率、输出精度、动态响应时间、并联模块的不均流度等。要设计出高品质的电力电子装置不仅需要精心设计主电路， 也需要有一个良好的控制系统来保证。主电路设计与控制系统的设计就如汽车的左、右轮同等重要5-6。 近年来， 随着科学技术的不断进步与发展， 越来越多的便携式电子产品如移动电话、笔记本电脑、PDA、摄录像机等逐渐普及，为人们的日常工作和生活带来便利。由于这些产品均朝向无线化、便携式方向发展，其关键性组件电源也朝着轻、薄、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的电池
14、需求相当迫切。为了不增加电池的数量，同时满足便携式电子产品的高输入电压的要求，Boost DC-DC 开关变换器拓扑成为最基本的选择7-8。 对一个实际 Boost DC-DC 开关变换器系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或骤降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快的做出合适的调节。例如，已西安科技大恘硕士恘位论文 2 知主电路的时间常数较大、响应速度相对较缓慢，如果控制环路的响应速度也较慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓，相反，如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面相互矛盾的稳态和动态要求。 1.2 国内外发展趋
15、势及其研究现状 文献1-4,7给出了变换器在输入电压、负载电阻参数固定下的基本理论，但对于具体的 Boost DC-DC 开关变换器在输入电压和负载电阻动态变化范围内， 整个变换器的详细分析并未涉及。 文献5-6给出了开关变换器小信号建模的基础理论， 并以 Buck 变换器为研究对象，给出了一些具体的设计方法，对于 Boost DC-DC 开关变换器拓扑的分析与设计并未涉及。DC-DC 变换器小信号建模是研究和分析其稳定性和瞬态响应的主要手段之一，也是当前国、内外研究的热点。优化设计 DC-DC 变换器控制环路的补偿网络以提高系统的稳定性和瞬态响应，Boost DC-DC 开关变换器拓扑具有以
16、地电位为参考的开关器件容易驱动、 外围器件少、 输入和输出电压具有相同的极性、 输出电压高于输入电压的特点，使得其在便携式电子产品的供电电源市场发挥着很大的作用，同时也有着广阔的市场。除此之外，Boost 变换器还可以用在功率因数校正电路(PFC)，可以有效减少电力传输线中的谐波成分。由于 Boost 变换器的市场前景广阔，为其设计的各种控制环路也层出不穷，但总的说来就是电压模式控制环路和电流模式控制环路。电压模式和电流模式两种控制环路各有优缺点，也各有自己的适用范围。无论采用哪种控制模式，对于整个系统环路来说，能否稳定工作是一个非常重要衡量的指标。同样，采用不同控制模式需要的补偿网络是不一样的。因此深入研究 Boost DC-DC 开关变换器拓扑有重要的意义。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以
