buck开关电源闭环控制的仿真研究.docx
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buck开关电源闭环控制的仿真研究
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
课程设计说明书
课程设计名称:
电力电子
题目:
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/10V
电力电子课程设计任务书
二级学院（直属学部）:
电子信息与电气工程学院专业:
电气工程及其自动化班级:
所属组号
2#
指导教师
职称
讲师
课题名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/10V
课题工作容
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，设计双极点-双零点补偿网络
2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型
3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。
4、撰写课程设计说明书，要求包括：
一、封面
二、任务书
三、目录
四、正文
1、BUCK电路基本原理
2、主电路参数设计
设计内容及要求、主电路设计（占空比、滤波电感、滤波电容的设计）
3、BUCK开关电源方案设计
闭环系统框图，各模块设计方法（包括双极点双零点补偿网络的设计）
4、仿真（开环和闭环仿真）
仿真参数及过程描述、仿真模型图、仿真波形及仿真结果分析，含负载扰动情况下的仿真波形
5、总结（含心得体会）
6、参考文献（不少于6篇）
指标（目标）要求
1、输入直流电压（Vin）：
20V
2、输出电压（Vo）：
10V
3、负载电阻：
4、输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV，电感电流脉动：
输出电流的10%
5、开关频率（fs）：
100kHz
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降
VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。
进程安排
第1天阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法
第2天根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计
第3天熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型
第4天仿真调试，记录要求测量波形
第5天撰写课程设计说明书
主要参考文献
1、电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社
2、开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社
3、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞，中国电力出版社，2009
4、电力电子课程设计指导书本院编；
5、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社
地点
秋A404
起止日期
一、课题背景
1、buck电路的工作原理
Buck电路是由一个MosfetS与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1，
其中RC为电容的等效电阻（ESR）。
图1.1buck变换器主电路图
由驱动信号周期地控制mosfetS的导通与截止，通过改变驱动信号的占空比D，来改变输出电压Uo。
当电路中上管导通时，源极电压等于输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs，IC不能直接驱动，IC内部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。
根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程：
当开关管导通时：
（1-1）
当开关管关断时：
（1-2）
2.BUCK开关电源的应用
自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。
40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：
①功率半导体开关器件用功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）取代了70年代使用的普通功率晶体管；②高频化PWM与PFM控制技术的应用和软开关技术的应用；③开关电源系统集成技术的应用。
现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。
可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。
这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。
手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几瓦。
通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数千瓦至数百千瓦。
工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。
上述的开关电源最终的供电对象基本都是电子电路，电压多为3.3V，5V,12V等。
除了这些应用之外，开关电源还可以用于蓄电池充电，电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十至几百千瓦。
在X光机、微波发射器、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。
二、课题设计要求
1、输入直流电压（Vin）：
20V
2、输出电压（Vo）：
10V
3、负载电阻：
4、输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV，电感电流脉动：
输出电流的10%
5、开关频率（fs）：
100kHz
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。
三、课题设计方案
1、系统的组成
1.1闭环系统结构框图
图3.1.1闭环系统结构框图
整个BUCK电路包括:
Gc（S）为补偿器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）开环传递函数和H（S）反馈网络。
采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo做成相应调整来消除偏差。
（2）系统传函框图
2、主电路部分的设计
2.1电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
Buck变换器主电路如图3.2.1所示，其中RC为电容的等效电阻（ESR）。
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，
式（3-1）
电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF。
本例中取为75μΩ*F，由式（3-1）可得RC=100mΩ，C=750μF。
2.2滤波电感L的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式（3-2）、（3-3）所示
式（3-2）
式（3-3）
二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V，
=0.2IN。
利用
，可得TON=5.3μS，将此值回代式（3-2），可得L=99.64μH，
取L=100μH
3、闭环系统的设计
3.1BUCK变换器原始回路传函
的计算
其中
为锯齿波PWM环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值Vm的倒数。
为采样网络传递函数，
，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，
为开环传递函数。
将Vm=3V,H（S）=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100mΩ，L=100uH，R=2欧代入传函表达式，得到：
式（3-1）
用matlab绘制波德图，得到相角裕度34.6度。
num=[0.00015，2]
den=[7.5*10^-8，5*10^-5,1]
G0=tf（num,den）
Margin（G0）
由于相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
3.2双极点双零点补偿控制器的设计
有源超前-滞后补偿网络电路如图3.2.1所示
图3.2.1有源超前—滞后补偿网络电路
补偿器的传递函数为：
式（3-2）
有源超前-滞后补偿网络有两个零点.三个极点。
零点为：
，
极点为：
为原点，,
频率与之间的增益可近似为：
在频率与之间的增益则可近似为：
考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取（开关频率）
开环传递函数的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环
传函两个相近极点频率的，则：
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。
先将R2取10kΩ，然后根据公式可推算出R1、R3、C1、C2、C3的值
进而可得到
依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：
计算过程可通过matlab编程完成，程序见附录。
根据闭环传函，绘制波德图，如图3.2.2，图3.2.3
图3.2.2补偿器的传递函数Gc（s）伯德图
图3.2.3闭环传递函数G（s）伯德图
得到相角裕度90.6°，符合要求。
进过计算最终可得：
R1=3.7942*10^6Ω
R3=1.1025*10^4Ω
C1=5.472*10^-8F
C2=1.5962*10^-10F
C3=1.4436*10^-10F
进而可得到式（3-3）
根据Gc（S）确定Kp，ki,kd的值。
依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：
式（3-4）
4、闭环系统的仿真
用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图如图4.1
图4.1Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图
4.1不加任何干扰时闭环系统的仿真
（1）对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），并记录波形，经过调试，设置传输延迟（TransportDelay）的时间延迟（TimeDelay）为0.0001，
积分（Integrator）的饱和度上限（Uppersaturationlimit）为1.488，下限为1.480，绝对误差（Absolutetolerance）为0.000001，PWM的载波为70kHz，幅值为3.66V的锯齿波。
（2）设置仿真时间为0.05s，采用ode23算法，设变步长1e-7。
不加干扰时BUCK电路闭环仿真电流及其局部放大波形如图4.2和图4.3所示：
图4.2BUCK电路闭环仿真电流波形
图4.3BUCK电路闭环仿真电流的局部放大波形
不加干扰时BUCK电路闭环仿真电压及其局部放大波形如图4.4和图4.5所示：
图4.4BUCK电路闭环仿真电压波形
图4.5BUCK电路闭环仿真电压的局部放大波形
如上述图4.2--图4.5所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V，，最大值为10.035V，最小值为9.975V，峰-峰值为0.005V，符合要求；输出电流稳定后为5A，最大值为5.018A，最小值为4.988AA，峰-峰值为0.03A，符合要求。
4.2加干扰时闭环系统的仿真
系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。
其中采用压控开关S2实现负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为20%，相位延迟0.006S。
系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形如图4.6所示：
图4.6BUCK电路闭环仿真电流和电压波形
其中电流局部放大图如图4.7所示：
图4.7BUCK电路闭环仿真电流局部放大波形
电压局部放大图如图4.8所示：
图4.8BUCK电路闭环仿真电压局部放大波形
如上述图4.6至图4.8所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为10.002V，最小值为9.998V，峰-峰值为0.004V，符合要求；输出电流稳定后为8A，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为8.002A，最小值为7.998A，峰-峰值为0.004A，符合要求。
四、总结及心得体会
这次电力电子的课程设计是以Buck开关电源为研究对象，学做了一个有关BUCK开关电源电压型双极点双零点补偿器控制的仿真研究。
本次课程设计是针对BUCK降压斩波器，包括电路的原理分析，buck电路的主电路参数设计，buck电路的闭环设计及buck电路的闭环仿真。
通过闭环仿真，可以看到闭环控制的稳压及抑制干扰作用。
通过这次设计主要取得了如下成果：
掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PID控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Matlab的仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。
为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有双极点、双零点补偿的PID控制器，增设的两个零点补偿由于Buck变换器的双极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。
仿真时先对不加任何干扰时BUCK电路闭环的仿真，调节各种元器件的参数使得最后的仿真波形与预期的一样，之后进行系统在突加、突卸80%额定负载时的仿真，这时系统将得到一个波动的干扰影响输出电压电流，得到的波形也是有个稳定周期地扰动的。
本次课程设计是对本学期学习的一个检验，把理论的运用到应用中。
实验过程中遇到难点，通过查资料丰富了自己的知识，本次实验学会了使用Matlab仿真软件，全英文的软件，感受到英语不好的忧伤，不过matlab是很强大的，通过它检测了闭环系统的稳定性，感受到了成功的喜悦。
一周的课程设计虽然冲忙，但也学到的很多课堂上学不到的知识，实践出真理，既巩固了之前所学的知识，也锻炼了自身的动手能力，还学到了不少新的知识，一举三得。
五、参考文献
1、电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社
2、开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社
3、开关电源技术教程，张占松，机械工业出版社
4、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞，中国电力出版社，2009
5、电力电子课程设计指导书本院编；
6、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社
7、电力电子技术，王兆安，机械工业出版社
附录
clc;
clear;
Vg=20;L=100e-6;C=0.75e-3;fs=100e3;R=2;Vm=3;H=0.3;Rc=0.1;
G0=tf（[C*Rc*Vg*H/VmVg*H/Vm],[L*CL/R1]）
figure
（1）
margin（G0）
fp1=1/（2*pi*sqrt（L*C））;
fg=（1/5）*fs;
fz1=（1/2）*fp1;
fz2=（1/2）*fp1;
fp2=fs;
fp3=fs;
[marg_G0,phase_G0]=bode（G0,fg*2*pi）;
marg_G=1/marg_G0;
AV1=fz2/fg*marg_G;
AV2=fp2/fg*marg_G;
R2=10e3;
R3=R2/AV2;
C1=1/（2*pi*fz1*R2）;
C3=1/（2*pi*fp2*R3）;
C2=1/（2*pi*R2*（fp3-fz1））;
R1=1/（2*pi*C3*fz1）;
num=conv（[C1*R21],[（R1+R3）*C31]）;
den1=conv（[（C1+C2）*R10],[R3*C31]）;
den=conv（den1,[R2*C1*C2/（C1+C2）1]）;
Gc=tf（num,den）;
figure
（2）
bode（Gc）
G=series（Gc,G0）;
figure（3）
margin（G）
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