电力电子技术课程设计BUCK开关电源闭环控制的仿真研究20V8V.docx
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电力电子技术课程设计BUCK开关电源闭环控制的仿真研究20V8V
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
课程设计说明书
课程设计名称：
电力电子技术
题目：
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/8V
2016年6月
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/8V
课题内容及指标要求
课题内容：
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计
2、根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计
3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4、观察并记录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
指标要求：
1、输入直流电压（VIN）：
20V，输出电压（VO）：
8V，输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV
2、负载电阻：
R=0.8Ω，电感电流脉动：
输出电流的10%，开关频率（fs）=80kHz
3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1qV，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75μΩ*F
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
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
起止日期
2016年6月20日-2016年6月24日
2016年6月17日
目录
一、课题背景1
1.1课题的意义1
1.2BUCK电路的工作原理1
1.3BUCK开关电源的应用3
二、课题设计要求3
三、课题设计方案4
3.1系统的组成4
3.2主电路部分的设计4
3.2.1占空比D的计算4
3.2.2滤波电容C的计算4
3.2.3滤波电感L的计算5
3.3BUCK变换器闭环PID控制的参数设计5
3.3.1反馈回路的设计5
3.3.2闭环回路的设计6
3.3.3传递函数的分析6
3.4BUCK变换器原始回路传函G0（s）的计算7
3.5补偿环节的设计8
四、BUCK变换器闭环系统的仿真11
4.1Buck变换器闭环仿真电路图11
4.2Buck变换器的闭环仿真结果分析14
五、总结及心得体会15
六、参考文献15
七、附录16
一、课题背景
1.1课题的意义
电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。
开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。
伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
直流斩波电路（DCChopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器（DC/DCConverter）。
直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流—交流—直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：
降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与GTR的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点，因此发展很快。
1.2BUCK电路的工作原理
如图所示中V的栅射电压
波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压
，负载电流
按指数曲线上升。
t=
时控制V关断，二极管VD续流，负载电压
近似为零，负载电流
呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。
当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。
（1-1）
图1降压斩波电路的原理图
图2降压斩波电路电流连续和断续波形
1.3BUCK开关电源的应用
直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。
IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。
二、课题设计要求
1、输入直流电压（VIN）：
20V，输出电压（VO）：
8V，输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV。
2、负载电阻：
R=0.8Ω，电感电流脉动：
输出电流的10%，开关频率（fs）=80kHz。
3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1qV，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75μΩ*F。
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。
三、课题设计方案
3.1系统的组成
图3Buck变换器闭环系统的框图
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。
补偿控制器场地函数，抑制输出开关纹波的目的。
3.2主电路部分的设计
3.2.1占空比D的计算
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：
（式3-1）
3.2.2滤波电容C的计算
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，则
（式3-2）
C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μΩ*F。
本例要求取为75μΩ*F，由式（3-2）可得RC=50mΩ，则C=1.5mF。
3.2.3滤波电感L的计算
开关管导通与关断状态的基尔霍夫电压方程分别
（式3-3）
（式3-4）
又因为
（式3-5）
根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V，将数据代入（式3-3）和（式3-4）后，由以上三个方程可以解得L=61.275μH。
3.3BUCK变换器闭环PID控制的参数设计
3.3.1反馈回路的设计
补偿网络电路如下图所示：
图3.1有源超前—滞后补偿网络
取输出端反馈电压的分压电阻RX=6kΩ，RY=2kΩ,则
3.3.2闭环回路的设计
闭环回路结构框图如下所示：
图3.2闭环回路结构
整个BUCK电路包括GC（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。
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Vo作出相应的调整，来消除偏差。
3.3.3传递函数的分析
加了补偿器之后的BUCK变换器系统传递函数的框图如下图所示：
图3.3BUCK变换器系统传函框图
3.4BUCK变换器原始回路传函G0（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G0（s）为：
（式3-1）
采样网络传递函数H（s）为：
将Vm=Vref=2V,H（s）=0.25,VIN=20V,C=1.5mF,RC=0.05Ω，L=61.275μH，R=0.8Ω代入（式3-1）可求得
根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）绘制伯德图如下所示：
图3.4开环传递函数
的伯德图
由上图可知，相角裕度只有35.7度，相角裕度过低，不满足设计要求。
需加入补偿器。
可采用有源超前滞后校正器。
3.5补偿环节的设计
根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）算得以下各参数值：
补偿器的传递函数为：
有源超前—滞后补偿网络有两个零点和三个极点。
零点为：
=262.4840HZ
=262.4840HZ
极点为：
为原点，
=80000HZ
=80000HZ
频率
与
之间的增益可近似为:
=1.0008
在频率
与
之间的增益则可近似为：
=305.0098
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）
开环传函
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。
BUCK变换器闭环传递函数：
根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）算得校正器GC（s）各元件的值如下：
取R2=10000Ω,算得：
R1=1.2491e+004Ω,R3=40.9823Ω,C1=6.0634e-008F,
C2=1.9960e-010F,C3=4.8544e-008F。
补偿器伯德图为：
图3.5超前—滞后校正器的伯德图
加入补偿后的伯德图为：
图3.6加入补偿器后系统的伯德图
相角裕度到达152度，符合设计要求。
四、BUCK变换器闭环系统的仿真
4.1Buck变换器闭环仿真电路图
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）：
图4.1闭环系统仿真图（不含干扰负载）
仿真结果图如下所示：
图4.2闭环系统输出电压和负载电流波形图
图4.3闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图
用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（含干扰负载）：
图4.4闭环系统仿真图（含干扰负载）
仿真结果图如下所示：
图4.5闭环系统输出电压和负载电流波形图
图4.6闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图
4.2Buck变换器的闭环仿真结果分析
从图4.2可以看出输出电压和电流的峰值分别在11V和14A左右，电压和电流的调节时间均在0.006S左右，响应速度很快。
从图4.3可以看出输出电压和电流达到稳态时，电压和电流的输出误差在
V（或A）左右，输出比较平稳。
从图4.5可以看出加入干拢后输出电压和电流峰值分别在11V和14A左右19V和14A左右，电压和电流的调节时间（第一次达到稳态）均在0.01S左右。
与之前未加干拢相比，波动相对较大，调节时间较长。
从图4.6可以看出输出电压和电流达到稳态时，电压和电流的输出误差也在
V（或A）左右，与之前未加干拢时的输出值差不多，也比较平稳。
五、总结及心得体会
通过不断的更改参数，使得出应该的波形，在使用Matlab中simulink仿真在课程设计过程中培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；也增加综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；更增加了运用知识的能力和工程设计的能力；提高课程设计报告撰写水平。
这次的课程设计是我收获比较大的一次，做课程设计比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们的指导以及平时灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计
六、参考文献
[1]梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等.自动控制元件及线路[M].北京：
科学出版社，2005.9-10.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社,2010.1.
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京.科学出版社,2007.6.
[4]电力电子课程设计任务书本院编；
[5]电力电子课程设计指导书本院编；
[6]阮毅陈伯时主编电力拖动自动控制系统—运动控制系统.机械工业出版社
七、附录
附录1：
所用Matlab程序如下：
clc;
clear;
Vg=20;L=6.1275*10^（-5）;C=1.5*10^（-3）;fs=80*10^3;R=0.8;Vm=2;H=0.25;Rc=0.05;
G0=tf（[C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]）
figure
（1）;
fp1=1/（2*pi*sqrt（L*C））
margin（G0）;
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-fz1）*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）
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