正激变换器及其控制电路的设计及仿真.docx

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正激变换器及其控制电路的设计及仿真

正激变换器及其控制电路的设计及仿真

正激变换器及其控制电路的设计及仿真

设计要求:

5、效率:

n>78%；

6、负载调整率：

1%;

7、满载到半载，十分之一载到半载纹波v

200mV。

第一章绪论

1•课题研究意义：

对于大部分DC/DC变换器电路结构，其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接，然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离，这时就可以在基本DC/DC变换电路中加入变压器，从而得到输入输出之间电隔离的DC/DC

变

换器。

而正激变化器就实现了这种功能。

2•课题研究内容：

1、本文首先介绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电容、电感参数的计算方法，并进行了计算。

2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。

其中闭环方式又分为PID控制和fuzzy控制。

本文分别针对开环、PID控制，fuzzy控制建立正激变换器的Matlab仿真模型，并进行仿真分析了，最后对得出的结果进行比较。

第二章：

正激电路的参数计算

本章首先给出正激变换器的等值电路图，然后列出了正激变换器的四个主要参数的计算方法，并进行了计算。

1、正激变换器的等值电路图

D2‘

Ui（D

图1正激变换器等值电路图

2、参数计算

（1）变比n

根据设计要求，取占空比D=0・4,根据输入电压和输出电压之间的尖系得到变

比：

n=bd=10。

0・4=3・3

Uout12

⑵最大、最小占空比

最大占空比Dmax定义为

UoutUd

max=

Uinmin—

式中Un（min）=100・20=80V,Uoq12V,n=3.3,,Ud为整流二极管压降,所以D.ax=0.495。

最小占空比DU定义为

Duoutudmin=1?

Uinmax-

式中Un（max）=120V,

所以Driin=0.333。

（3）电容

电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。

取开尖频率f=200KHZ则T=5X10-6s,

根据公式：

1

I.

rippleripple

式中取Iripple=0.2A,Vripple=0.07lTlV,

所以C=1.79卩F。

为稳定纹波电压，放大电容至50卩F。

（4）电感

可使用下列方程组计算电感值：

U）ut=LX

dt

式中Uout=12V,di取为0.2A,D-=0.333,所以L=0.334mH

第三章正激变换器开环的Mmtlab仿真

本章首先建立了正激变换器开环下的Matlab仿真模型，然后对其进行了仿真分析。

1、仿真模型的建立

根据之前的等值电路图和参数的计算结果，可以对正激电路进行建模，其幵环模型如图2：

卜氐彳

pow白gui

图2正激电路的开环仿真模型

2、仿真结果

在Matlab上进行仿真‘得到如下的输出电

压，及其纹波，输出电流及其纹波的波形:

图3开环电压波形

图6幵环纹波电流

从图中可以看出'开环占空比为40%时输出电压不能达到12V,只能稳定在

11.98V左右，纹波电压为1mV输出电流是0.998A，纹波电流不到0.1mA。

虽然纹波电压符合要求，但输出电压值和电流值不符合要求，且电压有较大超调。

分析其原因，可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。

需要调大占空比才能稳定到12V。

且开环系统有较弱的抗干扰性，不够稳定，因此应采用闭环。

第四章正激变换器闭环PID的Matlab仿真

本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求，然后对幵环系统绘制了伯德图，接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加PID环节的三个主

要参数，进行闭环系统的Matlab仿真，得到经过两次切载后的输出电压波形和输出电流波形，并进行了分析。

1、闭环稳定的条件：

（1）开环Bode图的幅频特性曲线中增益为1的穿越频率应等于幵尖角频率的1/5-1/10。

（2）幅频特性曲线应以・20dB的斜率穿越横轴。

（3）相位裕量丫〉45°。

2、开环传递函数：

查阅资料得到未补偿的开环传递函数为：

Go（s）=UnAV—,

1+—（RsC+1）R

代入数据，得到Go（S）=1.6710jS

3、未补偿的幵环传函的Bode图

30.3

22.78310*s1

图7开环传递函数伯德图

从图中可以看出，穿越频率为6.89103H乙小于要求的最小开尖频率

200K=20000Hz且以・40dB穿越横轴，相位裕度仅为1°。

三项指标都不

10

符合。

因此必须加入补偿环节

4、补偿函数的确定

1

首先确定补偿后系统的剪切频率fci=-200K=2.5X104Hz,sc/=2nfci

8

5

=1.57X10rad/s。

在f=2.5X104Hz处，原伯德图的增益为-22.6dB，相角为j79…取相位裕度

为50。

，贝U需补偿49。

。

新补偿的函数可分为PD和PI两部分

（1）PD环节

设PD环节的传递函数为G1=Kp（1+ts），作出其伯德图，得到以下比例尖

系：

_.C1tan49。

%丁

所以T=7・33X1O£

又20lgKp+已2（4）J=22.6,

所以Kp=8.848。

得到G仁8.848（1+7.33X10'

6s）

（2）PI环节

取PI环节传函为G2="。

s

52

6.4856TOs8.848s8848

G3=GXG2=

即Kp=8.848,Ki=8848,Ko=6.5e-5。

5、补偿后系统的新开环传函Gn

・32

其伯德图如下:

1.9651410s268.0944s268094.4

~~1.6710》中2.78310*s2s

6、闭环PID控制的Matlab仿真模型

用Mosfet1和2控制切载过程。

用Timer和Timer!

控制切载情况，在t=0.02s处负载由12Q切到24Q,在t=0.03s处负载由24Q切至U120Q,在0.05s处由120Q切到24Q。

输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较，在交点处控制Mosfet通断,从而控制占空比f诚“

TliTiEr

MosFetl

DCSauce

JnearTransforme-

图9闭环PID控制电路图

7、闭环PID仿真结果

衽Matlab上进行仿真，得到如下的电压波形:

Sr

▼

II1

:

1j

|<

旷r:

!

y

1ii

iiiiii

0

Q00&Qfl!

0019a（K2QmsQ03QS£QMQMSQj

图10初始PID参数下的输出电压波形

通过此图可以看出输出电压超调过大，已超过额定输出电压的1倍。

尽管输出电压

值、纹波、切载的尖峰都符合要求。

此时需要对PID参数进行调整。

在

这里选取Kp=0.5，Ki=500，Kd=7.3e-5。

此时可得到如下电压和电流波形：

图13切载后第一个尖峰

图14切载后第二个尖峰

从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在12V,且无超调。

满载输出平均电压约为11.9995V,满载时电压纹波最大，约为0.7mA。

切载时的电压尖峰也低于200mVo半载输出平均电压为11.99935V，所以负载调整率为119995_1199935.—35X100%=0.00125%v1%。

满载，半载，1/10载的电流纹波

11.9995

基本相等，均不到1mA。

变压器原边电流为0.1521A,所以效率n

二」丄3995：

1go%=78.9%。

均符合要求。

=1000.15218、补偿后系统的伯德图

的0.106倍，并以・20dB穿越横轴，且相位裕度为88。

，符合工程要求。

第五章正激变换器基于Fuzzy控制的Matlab

仿真分析

本章针对正激变换器进行了模糊控制。

首先进行了模糊化的设计，然后建立了规则库，最后针对其Matlab模型进行了仿真分析。

1、模糊化设计

对误差e、误差变化率也和控制量U的模糊集和域定义如下:

dt

（i）集合均为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},e的域为{・1,+1},的飙+0.5}°U的域为{~1,+1}°de

为{・隶属度函数均选三角函数*inputl为e,input2为一output为U。

dt例如,，变量赛的隶属度函数如下图所示：

2、模糊规则的建立

（1）模糊规则表如下:

\

EC\

NB

NM

NS

ZE

PS

PM

PB

NB

PB

PB

PM

PM

PS

PS

ZE

NM

PB

PB

PM

PM

PS

ZE

NS

NS

PM

PM

PS

PS

ZE

NS

NS

ZE

PM

PM

PS

ZE

NS

NM

NM

PS

PS

PS

ZE

NS

NS

NM

NM

PM

PS

ZE

NS

NM

NM

NB

NB

PB

ZE

NS

NS

NM

NM

NB

NB

⑵Fuzzy控制器规则库如下:

4门知站NBiird:

淼tilitZEiiWi歷浑関fl]

=r

5ll]H）=r>m£l5F£VKItIr（P|!

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图19控制器规则库

3、Matlab仿真分析

通过开环的输出电压范围，初步确定对于6

Gain1=65,对于性Gain2=105。

由采样定理，

dt

采样频率为开尖频率的2倍，即400KHZ从而采样时间为2.5X106s。

还要加入限幅模块和零

阶保持器模块'然后进行仿真。

其仿真模型如下

Herrew

图:

ZL

iTin-wrl

扫Ha

rMeiSTUr

图20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型

仿真后得到的电压和电流波形如下：

图21输出电压波形图

图22切载前后纹波及切载尖峰电压波形图

图23输出电流波形

图24满载及半载电流纹波图251/10载电流纹波

从图中可以看出，输出电压基本稳定在12V,在满载时纹波为350mV半载时纹波