目錄 1 12國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題等 2第一章升降壓斬波電路原理分析 31.1絕緣柵雙極晶體管IGBT 31.2BUCK-BOOST斬波電路 5第二章PID控制原理 7第三章開關(guān)電路的小信號解析建模 9第四章BUCK-BOOST斬波電路建模(電流連續(xù)模式) 第五章基于PID控制的升降壓斬波電路(系統(tǒng)識別) 第六章基于PID控制的Buck-Boost變換器分析(基于小信號分析建模法) 22摘要：斬波電路是一種由電力電子器件組成的對直流電壓進(jìn)行大小變換的電力電子電路，又稱作直流變換器。其通常用來提高系統(tǒng)工作效率，尤其是對高電力系統(tǒng)效率問題作出一系列解決方案。通過對電力電子器件的高速開關(guān)控制，將不固定的電源輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成特定大小的(負(fù)載所需的)直流電壓，根據(jù)調(diào)整占空比調(diào)整輸出脈沖順序的長度，調(diào)整輸出電壓平均值，最終經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，在負(fù)載上取得可控穩(wěn)定的直流輸出輸出電壓。[6本文通過分析對比Buck-Boost升降壓斬波電路開環(huán)控制與PID控制的各項(xiàng)性能指標(biāo)(暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能),給出具體結(jié)論，具有一定的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：升降壓斬波電路，PID,自整定，小信號建模前言電力電子技術(shù)，是一門運(yùn)用電力電子元器件對能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換與管理的科學(xué)技術(shù)，其主要是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。所采用的功率電子元件大多是由半導(dǎo)體收音機(jī)構(gòu)成的，故我們也稱其為高功率半導(dǎo)體元件(趙晨光，李雅寧，2022)。電力變換分類如表0-1所示：輸出輸入交流電力控制、變頻作為一個新興學(xué)科，電力與電子技術(shù)中包含了電力原理、電子學(xué)和自動控制。它屬電氣工程范疇，其內(nèi)容主要涉及變換電路、電力電子器件、電力電子裝備與控制系統(tǒng)，應(yīng)用于一般的工業(yè)、電力系統(tǒng)、電子設(shè)備供電、道路交通、家用電器用作電動機(jī)的調(diào)速是直流變換器的首要功能，依靠其優(yōu)秀的電壓及勵磁調(diào)節(jié)功能。電樞電壓大小及磁場方向影響了電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度，由此分析，可以用斬波電路控制電機(jī)電樞電壓，在這類情況下即改變斬波電路開關(guān)占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓，即電機(jī)電樞電壓(高文和，楊涵韻，2024)。另外，通過對斬波電路進(jìn)行電磁調(diào)控，進(jìn)而可以按需調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此直流電機(jī)配合直流變換器調(diào)壓在高速動車組、城市輕軌、地鐵等交通工具得到了廣泛的應(yīng)用。作為直流供電電源是直流斬波器的另一個應(yīng)用。使用場合有差異，各種負(fù)載所需直流電壓大小也不盡相同，使用過多的直流電源給不同負(fù)載供電無疑會增加設(shè)備投資和裝置容量，而使用直流斬波器就能夠把原來恒定不變的、唯一的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)荷環(huán)境所要求的固定的、各種電壓級別的直流供電電壓，既減小了設(shè)備容量和體積，也使得投資大大降低(王子和，何麗娜，2024)。在此類環(huán)境內(nèi)之所以將此類電源稱為開關(guān)電源，是因?yàn)橹绷鲾夭娐吠ǔ９ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)。斬波電路系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)、交通等各個領(lǐng)域中也獲得了廣泛的使本文主要研究分析斬波器用作直流供電方面的一些問2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題等(1)斬波電路當(dāng)今世界上軟開關(guān)技術(shù)(在電力電子開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的過程中分別加入諧振電路，使得開關(guān)過程中電壓或電流將為0,從而減小器件損耗)的蓬勃發(fā)展促使直流式斬波器技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的變革與飛躍(孫澤宇，王佳慧，2019)。在此類情況下由日本聯(lián)美蘭達(dá)公司推出的一款高頻電源模塊RM系列，由于采用了軟開關(guān)式電源技術(shù)，其開關(guān)式電源頻率擁有200-300KHz廣泛變化范圍，且具有較大的功率密度，并通過同步整流器技術(shù)，即將原本的肖特基二極管用電力場效應(yīng)晶體管代替，從這些評論中感受到使得整套系統(tǒng)利用率提升到了百分之九十。[8直流斬波電路憑借其優(yōu)異的性能越來越多地應(yīng)用于各類生產(chǎn)活動中，但是以下列舉的問題仍1.系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)特性(電源內(nèi)阻、連接導(dǎo)線電阻及接觸電阻等)會造成自2.絕緣柵雙極晶體管IGBT的柵極電阻Rg會伴隨驅(qū)動器件電壓額定值的提高而降低，而柵極電阻Rg的改變也會對集成電路的特性產(chǎn)生影響。3.驅(qū)動電路的過電流和過電壓保護(hù)。20世紀(jì)以來，電力電子科學(xué)技術(shù)向著小型化和輕量化的方向發(fā)展，而開關(guān)式電源系統(tǒng)也因?yàn)槠潴w積小，重量輕和高性能的優(yōu)勢因而廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。而作為開關(guān)式電源系列中的一類，從這些評論可以理解直流斬波集成電路的變換方式已達(dá)到了模塊型，其設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝都已經(jīng)比較完善和規(guī)范(吳天宇，劉昕怡，2019)。直流斬波電路轉(zhuǎn)換方式是把原來恒定的直流電壓改變成所需要大小的直流電壓，主要用于直流電向不同大小的直流電轉(zhuǎn)換場合(周浩然，陳梓積大等優(yōu)勢，在這般的場景下在電力電子技術(shù)應(yīng)用中有了很大(2)Buck-Boost變換器和Cuk斬波電路性能分析標(biāo)題中提到的斬波電路是兩種結(jié)構(gòu)完全不同，功能相同(變換直流電壓，都可雙向變化)的直流變換器，這在某種程度上凸顯了從二者的特性及結(jié)構(gòu)分析但是輸入電流變化劇烈，導(dǎo)致輸入電源收到電磁干擾且輸出電壓波動較大。根據(jù)這些初步的研究成果，本文可以提出更多具有前瞻性的假設(shè)和研究方向，推動該領(lǐng)域的知識邊界不斷向前拓展。這些假設(shè)和研究方向不僅基于當(dāng)前現(xiàn)狀深入分析，還結(jié)合了領(lǐng)域內(nèi)的最新動態(tài)和未來趨勢，旨在探索未知領(lǐng)域、解決現(xiàn)實(shí)問題并引領(lǐng)學(xué)術(shù)前沿。通過進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證，本文有望揭示更多關(guān)于該領(lǐng)域的深層次規(guī)律和機(jī)制，為理論體系的完善和實(shí)踐應(yīng)用的創(chuàng)新提供有力支持。同時，這些前瞻性的研究也將激發(fā)更多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和參與。Cuk變換器其輸入輸出電流不會出現(xiàn)斷續(xù)的情況，從這些背景中看容易進(jìn)行濾波(與Buck-Boost斬波電路相比較),但是由于Cuk斬波電路所需器件較多(要求電感電容各兩個),電容作為儲能元件，動態(tài)過程復(fù)雜，會出現(xiàn)超調(diào)因而目前普遍采用基于PID控制的Buck-Boost變換器進(jìn)行直流斬波輸出。直流-直流變換電路是電力電子技術(shù)中不可或缺的一類電路，也是構(gòu)成其他大型電路的重要組成部分。然而為了完成各項(xiàng)電能轉(zhuǎn)換任務(wù)，且保證電路安全運(yùn)行，僅依靠斬波電路是無法實(shí)現(xiàn)的，在這類情況下需要和其他電1.1絕緣柵雙極晶體管IGBT現(xiàn)介紹一種絕緣柵雙極晶體管(由N型溝道電力場效應(yīng)晶體管和普通雙極性晶體管組合而成),其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示(孫俊熙，王悅琪，2019)。相比較于普內(nèi)以至于構(gòu)成了一條大規(guī)模的PN結(jié)J1。這使絕緣柵雙極晶體管在其導(dǎo)通的在N-偏移區(qū)中要求高阻抗和要求低導(dǎo)通電流之間的問題(楊文杰，趙佳工具和分析模型，力求構(gòu)建一個全面、多維度的研究框架。通過跨學(xué)科的視角和方法，本文能夠更深入地理解研究對象的本質(zhì)和復(fù)雜性，揭示不同領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響。這種跨學(xué)科的整合不僅有助于本文突破傳統(tǒng)學(xué)科界限的束縛，還能激發(fā)新的研究思路和方法，為問題的解決提供更廣闊的視野和更豐富的資源。通過綜合運(yùn)用不同領(lǐng)域的理論和方法，本文得以更全面地分析和C制電阻集電極基區(qū)調(diào)制電阻RffUffGEIGBT與電力MOSFET二者均為場控器件。從這些評論中感受到其導(dǎo)電力MOSFET內(nèi)部的電壓溝道消失，導(dǎo)致GTR的基區(qū)輸出電好的耐沖擊電壓的能力，導(dǎo)通時器件兩端壓降較低，為電壓驅(qū)動型器件。圖1-3Buck-Boost斬波電路原理圖R并聯(lián)，負(fù)載電壓Uo即為電容電壓，可在IGBT斷開時短時間內(nèi)保持Uo不變相符，在研究時嚴(yán)格遵守了科學(xué)研究的規(guī)范和方法論原則。本文采用了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)確保了研究和的準(zhǔn)確性和可靠性，同時進(jìn)行深入分析以驗(yàn)證理論模型的有效性。在研究過程中本文還不斷對外部條件進(jìn)行控制以排除潛在干擾因素，確保研究結(jié)果的客觀性和可重復(fù)性。這一系列的嚴(yán)謹(jǐn)操作不僅增強(qiáng)了本文對研究足控制需求(超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時間),廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。由式2-1可以定義比例加微分加積分控制器的控制作用：式2-2各參數(shù)意義：Kp,Ki,Kd分別代表比例、積分、微分增益系數(shù)。其圖2-1所示：兩個開環(huán)零點(diǎn)，令分母等于0,有一個開環(huán)極點(diǎn)(位于復(fù)平面(0,j0)處),通過加入PID環(huán)節(jié)，在此類環(huán)境內(nèi)改變了原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及原系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖，極點(diǎn)等效于在系統(tǒng)前饋通道中級聯(lián)積分環(huán)節(jié)，對原系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的改善起到了顯著的作用，兩個開環(huán)零點(diǎn)中一個與開環(huán)極點(diǎn)抵消，另一個一種經(jīng)典的直流-直流自動變換器系統(tǒng)的基本構(gòu)造如圖2-2顯示。以Buck-Boost變換器為例，系統(tǒng)的核心部分是Buck-Boost斬波電路，同時包括了控制系統(tǒng)常用的負(fù)反饋控制電路(吳書怡，王昕妍，2024)。在此類情況下在系統(tǒng)負(fù)反饋的作用下，斬波電路輸出實(shí)時電壓經(jīng)過采樣環(huán)節(jié)后與控制目標(biāo)相比較，將產(chǎn)生的誤差信號送入放大補(bǔ)償環(huán)節(jié)(PID),并經(jīng)過脈寬調(diào)制(PWM)后，獲得了一些控制器常用和關(guān)斷情況，在擾動作用于閉環(huán)系統(tǒng)時(負(fù)載發(fā)生變化),從這些評論中感受到或是當(dāng)系統(tǒng)中遭受某些原因的影響而導(dǎo)致輸出電流發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，通過負(fù)反饋的調(diào)節(jié)此外，為增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定能力，改善進(jìn)入與輸出波形的品質(zhì)，使系統(tǒng)安全正常負(fù)反饋回路第三章開關(guān)電路的小信號解析建模小信號解析建模法：由于電力電子開關(guān)的存在，使得開關(guān)變換器是非線性變換器符合下列假設(shè)3時，將狀態(tài)方程中的小信號狀態(tài)量相乘的部分略去(線性1.低頻假設(shè)：任意一個可控開關(guān)的通斷周期內(nèi)，不能含有較低頻率的擾動2.小紋波假設(shè)：系統(tǒng)可控開關(guān)的通斷周期要遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)折周期，即系統(tǒng)中的對BUCK-BOOST斬波電路電路(CCM(連續(xù)導(dǎo)電)模式),應(yīng)用上面的步驟進(jìn)行小信號建模，這在某種程度上凸顯了具體電路模型如圖3所示所以電感電流在一個通斷周期內(nèi)的電流平均值i為：等效變換得：Buck-Boost變換器小信號等效模型如圖3-2所示：圖3-2Buck-Boost斬波電路小信號等效模型從這些背景中看出忽略輸入信號時，其小信號電路模型如圖3-3所示：L圖3-3Buck-Boost斬波電路小信號等效模型(忽略輸入信號)對變壓器進(jìn)行化簡(一次側(cè)向二次側(cè)歸算),等效電路見圖3-4:圖3-4變壓器一次側(cè)向二次側(cè)折算的斬波電路小信號模型在全面性和合理性上均達(dá)標(biāo)，凸顯了本研究團(tuán)隊(duì)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)方法。通過深入分析不僅驗(yàn)證了已整理的理論基礎(chǔ)，還發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象和趨勢，這些發(fā)現(xiàn)為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的視角和思路。在研究過程中，本文注重細(xì)節(jié)，對每一個關(guān)鍵點(diǎn)都進(jìn)行了嚴(yán)格的審查和驗(yàn)證，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，本文還積極與同行交流，吸收他們的寶貴意見和建議，不斷完善和優(yōu)化研究方法。這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)方法，不僅保證了本研究的質(zhì)量和第四章BUCK-BOOST斬波電路建模(電流連續(xù)模式)假設(shè)電動汽車電瓶輸出電壓為36v,在此類環(huán)境內(nèi)且車載電器所需電壓為即E=36v,Uo=12v。可控開關(guān)IGBT占空比D=Uo/(E+Uo)=0.25L>RT(1-D)2/2=140.625uH,C>D/(R*r*f考慮到較大的電感電容值會導(dǎo)致斬波電路裝置過大，綜合考慮，取在SimuLink中繪制Buck-Boost變換器仿真模型見圖4-1(何慧芳，吳文杰，2024):2mLR其中將電源電壓E設(shè)置為36v,Pulse用于發(fā)出單位矩形脈沖，頻率設(shè)置為40000Hz,占空比D為0.25,電感L設(shè)置為150μH,在此類情況下電容C設(shè)置為150μF,電阻負(fù)載為20歐，IGBT和二極管Diode為默認(rèn)設(shè)置(謝婷婷，鄭志遠(yuǎn)，2024)。圖4-3輸出負(fù)載電壓波形(開環(huán)控制)圖4-4穩(wěn)態(tài)輸出電壓波形(開環(huán)控制)輸出電壓波動較大，穩(wěn)態(tài)電壓平均值約為11.65v,且無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)12v,誤差為2.9%,與期望值差距過大。所以采用PID控制的升降壓斬波電路，通過第五章基于PID控制的升降壓斬波電路(系統(tǒng)識別)建立模型，給定預(yù)期輸出目標(biāo)為12v,將實(shí)際輸出電壓反饋給輸入端，比較后通過PID模塊輸出PWM信號發(fā)生器，從這些評論中感受到進(jìn)而控制IGBT通斷(羅:Name:tf1Continuous-timeidentifiedtransferfunctioNumberofpoles:2Numberofzeros:1DetailsaboThisisthe'HairDryer'inputistheelectricoutputistheoutletairte圖5-2系統(tǒng)識別工具箱識別結(jié)果通過PID自整定得到理想kp,ki以及kd。如圖5-3和圖5-4所示： RESULTS圖5-3PID自整定預(yù)期效果PIDcontrolalgorithmsandineludeSampletime(-1forinhTypesStateProportional(P):0.027409525215Integral(1):24.78747498Derivative(D):-3.51211946069325Filtercoefficient(N):4160.71586092401TnerAnn)ThisblockimplementscontinuContrDesign).ControllerparametersSelerttuninemethodTranefrFime圖5-5預(yù)期輸出目標(biāo)，數(shù)學(xué)模型輸出結(jié)果以及實(shí)際輸出電壓其中，藍(lán)色為給定預(yù)期輸出目標(biāo)，橘黃色為數(shù)學(xué)應(yīng)為實(shí)際電路輸出電壓波形，可以看出，從這些評論可合預(yù)期要求，但是暫態(tài)過渡過程中出現(xiàn)了較大的電壓過沖，過電壓達(dá)到了30損壞實(shí)際用電設(shè)備(張慧敏，錢文杰，2024)。每個理論模型都是現(xiàn)實(shí)世界的一種簡化表現(xiàn)，因此總是會包含一些近似處理。這可能導(dǎo)致模型在某些特定情境或極端條件下無法完全準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。為了彌補(bǔ)這一不足，本文在構(gòu)建和驗(yàn)證理論模型時，特別注重了模型的適用范圍和限制條件，并在研究中進(jìn)行了充分的討論和說明。同時，本文還通過與其他研究方法和實(shí)證數(shù)據(jù)的對比，來評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。這種綜合性的評估方法，有助于本文更全面地理解模型的局限性和潛在風(fēng)險，為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供有益的參考和啟示。將給定階躍信號延遲0.0005s,即在實(shí)際中，用電設(shè)備接入后0.0005s后開始工圖5-6階躍信號延遲0.0005s后的各電壓輸出曲線其中，藍(lán)色為給定目標(biāo)階躍信號，淡黃色為實(shí)際對應(yīng)數(shù)學(xué)模型輸出波形(陸曉燕，沈志鵬，2024)。可以看出，實(shí)際輸出電壓在穩(wěn)態(tài)時上下波動不超過0.1v,且在暫態(tài)過渡過程中過電壓不超過16v,滿足設(shè)備實(shí)際使第六章基于PID控制的Buck-Boost變換器分析(基于小信號分析建模法)將已知數(shù)據(jù)帶入式3-14,得:u TUNINGTOOLSThisblockimplementscontinuous-anddiscrete-timePIDcontrolalgorithmsandwindup.externalreset.andsignaltracking.YoucantunethePIDgainsautonaticallyusingthe'Tune..SimulinkControlDiscrete-timesSampletime(-1forODiscreteCompensatorformulaOutputSaturationDataTypesStControllerparametProportional(P):0.61974961271Integral(1):2630.0146155Derivative(D):3.01322069347274e05OKCancelMainInitialization圖6-3PID自整定結(jié)果圖6-4理想實(shí)際輸出電壓曲線圖6-4為依照實(shí)際電路建立的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖，在這般的條件下下圖為實(shí)際和技術(shù)參數(shù)都有很大關(guān)聯(lián)。因此為使產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)更符合實(shí)際狀況，并實(shí)現(xiàn)安全性評估，就有必須設(shè)置開關(guān)電源完整的小信號模型。在頻域模式下，波特圖給出了一個簡潔方便的分析方法，能夠用于進(jìn)行回路增益估計(jì)和