基于双零双极控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究解读Word格式.docx
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第三章设计方案2
3.1系统组成2
3.2主电路部分的设计3
3.3闭环系统的设计4
3.4闭环系统仿真7
第四章总结10
第五章参考文献10
第六章附录10
第一章绪论
1.1
BUCK电路的工作原理
图1-1BUCK电路结构
图1-2开关导通和关段时等效电路
BUCK斩波电路的基本原理是：
电感L和电容C组成低通滤波器，使us（t）的直流分量可以通过，而抑制us（t）的谐波分量；
电容上输出电压uo（t）就是us（t）的直流分量再附加微小纹波ur（t）。
1.2BUCK电路的应用
BUCK电路主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。
采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。
用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC/DC变换提供了可能。
在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电；
并广泛应用于电源电路中，例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。
它的应用面之广、应用数量之大是
任何电力电子电源都无法比拟的。
由于高频开关电源的应用面最广、应用的数量多
第二章设计要求
1、输入直流电压VIN15V，输出电压VO5V，输出电压纹波电压Vrr50mV
5
2、输出电流IN6A，负载电阻R50.83333，电感电流脉动为输出电流的10%，开
6
关频率fs100KHz
3、BUCK主电路二极管的通态压降VD0.5V，电感中的电阻压降VL0.1V，开关管导通压降VON0.5V,滤波电容与电解电容的乘积为CRC75F
4、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。
第三章设计方案
3.1系统组成
3-1中的部分，控制电路包括测量电路、反馈
系统主要分为主电路部分与控制电路部分，主电路即为图电路与脉冲出发电路，主电路、控制电路共同构成闭环系统。
图3-1Buck变换器主电路图
3.2主电路部分的设计
1、输入输出电压为15/5V时的L、C计算：
变换器主电路如图下所示，
RC为电容的等效电阻。
电容等效电阻RC和滤波电感C的计算过程
如下：
CRC75F
IL0.2IN1.2A
Vrr1
RCrr0.04167
CIL24
75106C0.0018F
RC
2、滤波电感L的计算
S开通：
dIL
VINVOVLVONL
dt
115
TonToffs1105s
fs100000
dILI
dtton
S关断：
I
0VOVLVDL
toff
VDVLVOLtI
76tons3.73333106s1875000
toff47s6.26667106s
off7500000
3295L2.92444105H11250000
3.3闭环系统的设计
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。
系统传函框图如下所示；
图3-3传递函数框图
2、BUCK变换器原始回路传函GO（s）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：
其中Gm（s）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。
H（s）为
VR
采样网络传递函数，
H（s）VUreofRxRyRy，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻。
校正前开环传递函数：
GO（s）
2.25104s1
5.264108s3.50933105s1
用Matlab绘制Bode图，所用matlab程序：
图3-4未矫正系统Bode图由于相角裕度过低，需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
3补偿器的传函设计
图3-5有源超前-滞后补偿器补偿器的传递函数GCS设计
补偿器的传递函数为：
GcS
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点
零点为：
2R2C1
fZ2
2R1R2C3
2R1C3
极点为：
fp1为原点
p3
2R2C1C2
C1C2
R频率fz1与fz2之间的增益可近似为：
AV1R2z1z2R1
在频率fp2与fp3之间的增益则可近似为：
AV2R2R1R3R2p2p3R1R3R3
考虑达到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：
fgfs20KHz
g5
开环传递函数GoS的极点频率为：
p1,p22LC
将补偿网络GcS两个极点设为fp2fp3fs100KHz以减小输出的高频开关纹波。
AV1ffpg2Gcj2fgRR23
先将R210000取值，根据公式可推出：
GC（S）
2.113e007s20.0009193s1
32
5.046e017s1.844e010s29.594e005s
计算过程通过Matlab变成完成。
根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。
如下图所示；
图3-6Bode图1
图3-7Bode图2先将R2任意取一值，然后根据公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，进而可得到Gc（S），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：
G（s）=GO（s）Gc（s）计算过程可通过Matlab编程完成。
根据闭环传函，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。
（参考程序见附录）
3.4闭环系统仿真
（1）用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（不含干扰负载）
（2）对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），并记录波形。
经过调
可以看出：
系统表现表现为二阶阻尼振荡，阻尼比<
1，这个参数主要是由电感值C决定的。
脉动电流滞环宽度由限幅器限幅参数决定，经过调试，系统电压脉动在稳态时的误差小于1%
（3）积分（Integrator）的饱和度上限（Uppersaturationlimit）为1.07，下限为1.07，绝
对误差（Absolutetolerance）为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为1.5V的锯齿波。
（4）设置仿真时间为0.05s，采用ode23s算法，可变步长。
（5）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。
图3-10Buck电路加干扰仿真结果与局部截图
第四章总结
本次设计我花了很长时间，从老早就开始准备了，期间得到了很多老师和同学的帮助，我在草稿纸上计算了校正前的开环传递函数和所有参数，但是校正不太会，后来我用MATLAB中的程序直接得到了校正环节的传递函数和校正后的开环传递函数。
在设计电路的时候，卡在校正环节参数的选择很长时间，后经同学指点恍然大悟，立刻就做出了仿真结果，而且跟老师的要求完全符合，特别是电压，几乎是一条直线。
经过这次设计，我有一种成就感，我感觉自己学到了很多很多东西。
我打算在剩下的大学时光里，多学点知识，以便在社会上使用。
感谢老师的指导和同学的帮助。
第五章参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：
机械工业出版社，2009
[2]张占松，张心益.开关电源技术教程[M].北京：
机械工业出版社，2012
第六章附录
MATLAB参考程序：
Vg=15;
L=329/11250000;
C=0.0018;
fs=100*10^3;
R=5/6;
H=0.3;
Vm=1.5
G0=tf（[Vg*H/Vm],[L*CL/R1]）
figure
（1）
margin（G0）;
fp1=1/（2*pi*sqrt（L*C））;
10fg=（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*C3*fz1）num=conv（[C1*R21],[（R1+R3）*C31]）den1=conv（[（C1+C2）*R10],[R3*C31]）den=conv（den1,[C1*C2*R1/（C1+C2）1]）Gc=tf（num,den）
figure
（2）
bode（Gc）
G=series（Gc,G0）
figure（3）
margin（G）
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