电力电子课程设计报告.docx

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电力电子课程设计报告

天津理工大学

课程设计报告

题目：

数字式Buck变换器系统设计

学生姓名刘磊学号20110761

届2014班级11级2班

指导教师陈鹏专业电气工程及其自动化

起始日期2014年6月1日审核日期2013年6月26日

第一章课程设计内容和要求

1.1课程设计内容

本课程设计要求设计如图BUCK变换器主电路，

电路参数如下

输入电压：

Vin=30VDC；

输出性能：

Vout=15VDC；

Vout（p-p）<=0.2v；

Iout=10A；

当Iout=0.1A时，电感电流临界连续。

负载电阻：

0.1-8欧

开关频率：

fs=200KHz。

控制算法采用PI控制，对控制PI参数进行整定，进行MATLAB进行仿真，说明控制效果。

进行程序编制。

1.2课程设计要求

1、进行主电路设计，选择滤波电容、电感、MOSFET等主电路器件。

2、进行PI控制算法设计。

3、进行MATLAB仿真。

4、设计控制系统电路画出电路图。

1.3课程设计要点、设计步骤

1、熟练掌握常用EDA设计软件，如protel等，进行原理图设计。

2、采用MATLAB软件进行控制参数的设计。

3、根据参数要求设计主电路参数。

1.4主要技术关键的分析、解决思路

1、分析Buck变换器基本工作原理及工作模式。

2、根据Buck变换器性能指标设计主电路参数。

3、设计控制系统参数。

4、进行仿真分析。

第二章系统设计方案

第一节Buck变换器技术

1.1Buck变换器基本工作原理

Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如1.1。

驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。

电路的主要工作波形如图1.2。

图1.1Buck变换器电路

图1.2Buck变换器的主要工作波形

1.2Buck变换器工作模态分析

在分析Buck变换器之前，做出以下假设：

①开关管Q、二极管D均为理想器件；

②电感、电容均为理想元件；

③电感电流连续；

④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。

在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：

1开关模态0[t0~t1]

[t0~t1]对应图1.3（a）。

在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。

此时：

电感中的电流线性上升，式1-1可写成：

2开关模态1[t1~t2]

[t1~t2]对应图1.3（b）。

在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。

此时：

电感中的电流线性下降，式1-3可写成：

式中Toff为开关管Q的关断时间。

在稳态时，，联解式1-2与式1-4可得：

输出电流平均值：

1.3Buck变换器外特性

在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f（io）称为变换器的外特性。

式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。

当负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。

图1.4为电感电流断续时电流波形图。

由式1-2与式1-4可知，当输入电压和输出电压一定时，为常数。

由式1-6可见，当负载电流减少到时，，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流：

由式1-2及式1-5得，带入式1-7得：

（式1-8）

由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值：

（式1-9）

当电感电流断续时，即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为：

（式1-10）

式中，为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：

（式1-11）

稳态时，，由式1-11得：

（式1-12）

将式1-11及式1-12带入式1-10得：

（式1-13）

即：

（式1-14）

图1.4电感电流断续时电流波形

可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。

第二节Buck变换器参数设计

2.1Buck变换器性能指标

输入电压：

Vin=30VDC；

输出性能：

Vout=15VDC；

Vout（p-p）<=0.2v；

Iout=10A；

当Iout=0.1A时，电感电流临界连续。

开关频率：

fs=200KHz。

2.2Buck变换器主电路设计

2.2.1占空比D

根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：

D=Uo/Ui=15/30=0.5（式2-1）

2.2.2滤波电感Lf

（1）滤波电感量Lf计算

变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。

如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。

所以，以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感，即。

在Q关断时，由式1-4得：

=5x（1-0.5）/（0.2x200）=62.5uH。

（式2-2）

由Lf≥Lf（min），取Lf=62.5uH。

2.2.3滤波电容Cf

（1）滤波电容量Cf计算

在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。

该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout（p-p）<0.2v。

若设，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在时间间隔内充放电，电容充电的平均电流：

（式2-8）

电容峰峰值纹波电压为：

（式2-9）

因此，得：

（式2-10）

取，D=0.5时，Cf的值最大。

即：

（式2-11）

由Cf≥Cf（max）得，取Cf=186uF。

（2）滤波电容的耐压值

输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。

由于最大输出电压为15V，则电容的耐压值为15V。

（3）滤波电容的选取

由输出滤波电容的电容量Cf=186uF，耐压值为15V，留有一定的裕量，则选取186uF/15V电容。

2.2.4开关管Q的选取

该电路的输入电压是10V，则开关管耐压值为10V，电流的最大值为，其开关频率为，因此选用的MOSFET管，其额定值为。

2.2.5续流二极管D的选取w

续流二极管所承受的最大反向电压为Vin=10V；在时，二极管电流的有效值为；续流二极管的工作频率为f=200KHz。

考虑一定的裕量，选用肖特基二极管SR150-1，其电压和电流额定值为：

30V/10A。

第三节Buck变换器闭环控制的参数设计

3.1闭环控制原理

为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变化器进行闭环控制。

其工作原理为：

输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与锯齿波，即调制波进行交截来控制占空比，从而控制开关管Q的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。

图3.1为闭环控制电路的基本原理图。

图3.1Buck电路闭环控制基本原理图

图3.2PWM型DC/DC变换器的小信号模型

为了实现闭环控制，为了进一步研究参数对闭环控制的影响，建立PWM型DC/DC变换器的小信号模型，如图3.2所示。

Gc（s）为补偿器的传递函数，Gvd（s）为低通滤波器的传递函数，Vm为载波信号的峰峰值。

从小信号模型分析，其环路增益T（s）=H（s）Gc（s）Gvd（s）/Vm。

要到到闭环控制的目的，其环路增益T（s）要满足一定的条件：

①环路增益在低频段要有高增益，呈现积分特性，使系统成为误差系统；

②环路增益在中频段要提供足够的相角裕度，使系统稳定；

③环路增益在高频段要具有-40dB/Dec的斜率，以抑制高频干扰。

3.2Buck变换器的闭环电路参数设计

3.2.1Gvd（s）的传递函数分析

在CCM情况下，占空比（d）到输出电压（Vo）的小信号传递函数为：

（式4-1）

其中，

该Buck变换器的输入电压为30V，输出电压为15V，输出电流为10A，Lf=625uH，Cf=186uF，取RL=5mΩ，Rc=25mΩ，用Mathcad画出Gvd（s）的幅频特性曲线及相频特性曲线，如图3.3（a）、图3.3（b）所示。

图3.3（a）Gvd（s）的幅频特性曲线

从图4.3（a）可以求得，Gvd（s）的低频增益为33.625dB，谐振频率fr=2.52KHz，截止频率fc=18.67KHz，并且斜率为-40dB/Dec，这是一个典型的低通滤波器。

遇到滤波电容Cf的ESR产生的零点处频率636.6KHz时，幅频特性曲线斜率变为-20dB/Dec。

图3.3（b）Gvd（s）的相频特性曲线

从3.3（b）图中可求得，其相角裕度为5.868度。

可以看出，相角裕度不足，要进行补偿设计。

第四节Buck变换器闭环仿真

4.1Buck变换器闭环仿真参数及指标

为了验证闭环控制的工作原理及正确性，采用SABER软件对电路做了仿真分析。

仿真所用的参数为：

●输入直流电压：

Vin=30VDC；

●输出直流电压：

Vo=15V；

●开关频率：

fs=200KHz；

●输出电流：

Io=10A；

●输出滤波电感：

Lf=625uH；

●输出滤波电容：

Cf=186uF；

●开关管：

MOSFET，MTD6N15T4G；

●续流二极管：

肖特基，SR150-1；

●采样分压电阻：

Rf1=19KΩ，Rf2=5KΩ；

●参考电压：

Vref=15V；

●补偿网络：

R1=16KΩ，R2=60KΩ，R3=70Ω，C1=1nF，C2=3.5nF，C3=7pF；

●载波信号：

锯齿波Vm=2.4V，T=5us。

4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图

图4.1闭环仿真电路原理图

4.3Buck变换器的闭环仿真结果与分析

仿真结果如下图

图4.2输入电压与输出电压波形

图4.3输出电压的纹波

图4.4初始工作时的调节过程

图4.5稳态工作波形

图4.6输入电压变化时输出波形

图4.2为输入电压与输出电压波形。

从图，其调节时间为0.35ms,响应速度很快。

图4.3为输出电压的纹波。

由图得，其纹波电压峰峰值为9mv左右，满足要求。

图4.4为初始工作时调节过程。

图4.5为稳态工作时各波形。

图4.6为输入电压有变化时输出电压波形。

可以看出，通过闭环控制，达到了很好的稳压效果。

小结

通过本次设计，让我知道了理论结合实践的重要性。

在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

过而能改，善莫大焉。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

最终的检验修改环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在不懈的努力下，终于迎刃而解。

在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

在设计过程中，总是