BUCK开关电源的应用文档格式.docx
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图3-1Buck变换器主电路图
1、输入直流电压(VIN):
32V。
2、输出电压(VO):
18V。
3、负载电阻:
3。
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):
80kHz。
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75。
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。
当s导通时有:
()
(1)
当s关断时有:
(2)
t与的关系:
(3)
3.2系统的组成
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。
系统传函框图:
3-2。
图3-2系统传函框图
3.3主电路部分的设计
3.3.1滤波电感的计算
由公式,其中(4)
,其中,R=3(5)
(6)
设计要求中,求得,。
3.3.2滤波电容的计算
由前面的公式
(1),
(2),(3)及一些参数,,,,。
算得:
,,。
3.4开环系统的分析
3.4.1开环原始传递函数的计算
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:
(7)
其中,(8)
其中,是分压电阻,它们的取值是不固定的,但是他们的单位要是级的,这样整个电路的误差会小。
此次设计,它们的单位是。
(9)
将数据代入公式(7),得
=
3.4.2开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图
将的表达式输入到MATLAB软件中,可以得到如图3-3所示的伯德图,由图可知=25.6deg。
相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
图3-3开环原始传递函数的伯德图
3.5闭环系统的设计
图3-4闭环系统结构框图
图3-4中包含输入电源,滤波电感,滤波电容,负载,脉冲信号,续流二极管,参考电压以及一些传递函数。
3.6双极点双零点补偿控制器的设计
3.6.1补偿网络电路的原理分析
图3-5有源超前-滞后补偿网络电气图
图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成,通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式:
(10)
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
零点为:
(17)
(18)
极点为:
为原点
(19)
(20)
频率与之间的增益可近似为:
(21)
在频率与之间的增益则可近似为:
(22)
考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取(为开关频率):
kHz(23)
开环传函的极点频率为:
(24)
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
(25)
将补偿网络两个极点设为,以减小输出的高频开关纹波。
(26)
(27)
根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc(s)各元件的值如下(程序见附录),取R2=10000欧姆:
=1.4259;
=548.0150;
=18.2477;
=7.6462e-008;
=1.0902e-007;
=1.9894e-010;
=7.0133e+003。
通过公式(10)得出:
=
3.6.2补偿器伯德图
图3-6补偿器伯德图
3.6.3加入补偿器后系统伯德图分析
图3-7加入补偿器后系统的伯德图
由图可知,在加入补偿器之后的=152deg,它远远大于未补偿之前的=25.6deg,相角裕度增加,达到设计的要求。
3.7闭环系统的仿真
3.7.1电路模块的添加
在MATLAB软件中,点击Simulink,新建一个.mdl的文件,然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。
本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中,如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,PulseGenerator,IdealSwitch,R,VoltageMeasurement,Scope,Transportdelay,gelding,TransferFcn,Saturation,
3.7.2仿真电路参数的设置
①输入的直流电压为18V。
②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。
③设置仿真时间为0.04s,采用ode23s算法,可变步长。
④设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为0.006,积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为0.8349,下限为0.832,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为80kHz,幅值为14.4V的锯齿波。
3.7.3仿真结果
图3-8未加干扰仿真图
图3-9加干扰仿真图
第4章总结心得
通过这次设计,更加深入的理解和掌握了这方面的知识,对本专业的认识也更加深入,在设计过程中,自己也学到了许多新的知识,有很多感悟和体验心得。
本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。
从课题的选择到最终的完成,韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持,让我们获益菲浅,并且将终生受用无穷。
在此对钱老师表示最衷心的感谢!
第5章参考文献
[1]电力电子技术王兆安机械工业出版社
[2]开关电源技术教程张占松机械工业出版社
[3]电源的计算机仿真技术陆治国科学出版社
[4]电力电子技术计算机仿真实验李传琦电子工业出版社
[5]电力电子应用技术的MATlab仿真杜飞中国电力出版社
[6]电力电子技术的MATLAB实践黄忠霖国防工业出版社
[7]电力电子系统建模及控制徐德洪机械工业出版社
第6章附录
附录1MATLAB所用程序:
clc;
clear;
Vg=32;
L=1.624*10^(-4);
C=9*10^(-4);
fs=80*10^3;
R=3;
Vm=14.4;
H=0.8;
Rc=0.083;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);
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=10*10^3;
R3=R2/AV2
C1=1/(2*pi*fz1*R2)
C3=1/(2*pi*fp2*R3)
C2=1/(2*pi*fp3*R2)
R1=1/(2*pi*fz1*C3)
num=conv([C1*R2,1],[(R1+R3)*C3,1]);
den1=conv([(C1+C2)*R1,0],[R3*C3,1]);
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)
附录2仿真电路原理图: