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BUCK电路利用状态空间平均法和开关周期平均法推导

以BUCK电路为例的两种方法推导


BUCK电路简介

BUCK电路是一种降压型DC-DC转换器,其拓扑结构如下:

  • 输入电压 V in V_{\text{in}} Vin输出电压 V out = D V in V_{\text{out}} = D V_{\text{in}} Vout=DVin(稳态时, D D D为占空比)。
  • 关键元件:开关管 S S S、续流二极管 D D D、电感 L L L、电容 C C C、负载电阻 R R R
  • 状态变量:电感电流 i L i_L iL、电容电压 v C v_C vC

一、状态空间平均法推导

1. 分段建模

根据开关状态,建立导通(ON)和关断(OFF)时的状态方程:

  • 导通阶段( 0 ≤ t < D T s 0 \leq t < D T_s 0t<DTs
    { L d i L d t = V in − v C C d v C d t = i L − v C R \begin{cases} L \frac{di_L}{dt} = V_{\text{in}} - v_C \\ C \frac{dv_C}{dt} = i_L - \frac{v_C}{R} \end{cases} {LdtdiL=VinvCCdtdvC=iLRvC
    状态方程形式:
    d d t [ i L v C ] = A 1 [ i L v C ] + B 1 V in , A 1 = [ 0 − 1 L 1 C − 1 R C ] , B 1 = [ 1 L 0 ] \frac{d}{dt} \begin{bmatrix} i_L \\ v_C \end{bmatrix} = \mathbf{A}_1 \begin{bmatrix} i_L \\ v_C \end{bmatrix} + \mathbf{B}_1 V_{\text{in}}, \quad \mathbf{A}_1 = \begin{bmatrix} 0 & -\frac{1}{L} \\ \frac{1}{C} & -\frac{1}{RC} \end{bmatrix}, \quad \mathbf{B}_1 = \begin{bmatrix} \frac{1}{L} \\ 0 \end{bmatrix} dtd[iLvC]=A1[iLvC]+B1Vin,A1=[0C1

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