BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx

BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx

《BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

BUCK开关电源闭环控制的仿真研究80V60V

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-80V/60V

2016年6月

目录

一、课题背景3

1.1BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律3

1.2BUCK电路的工作原理4

二、目的5

三、设计要求5

四、设计步骤6

（一）主电路参数设计6

（二）滤波电感L的计算6

（三）闭环系统的设计6

五、总结和心得10

六、参考文献10

七、附录11

一、课题背景

1.1BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律

BUCK变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻（ESR）。

图1-1BUCK电路基本结构图

在上图所示电路中，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使的直流分量可以通过，而抑制的谐波分量通过；电容上输出电压就是的直流分量再附加微小纹波。

由于电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小，相对于电容上输出的直流电压V有：

。

电容上电压宏观上可以看作恒定。

电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成个，宏观上可以看作是恒定电流，这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。

一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。

这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。

假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：

，此增量将产生一个平均感应电势：

此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。

这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：

电感伏秒平衡。

这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。

1.2BUCK电路的工作原理

1.2.1电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析

（1）晶体管导通状态

VD关断，依据等效电路拓扑，

由于电路频率很高，一个周期内和基本维持不变，可视为固定值，为常数，电流变化为线性。

，

，

。

（2）二极管VD导通模式

晶体管关断，电感续流，二极管导通，

同样，由于视为维持不变，则输出电流线性减小。

，

，

，

。

1.3BUCK电路应用

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。

二、目的

1.了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理；

2.掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算；

3.运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真。

4.掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿器环节的设计与仿真技术。

三、设计要求

输入直流电压（VIN）：

80V

输出电压（VO）：

60V

输出电流（IN）：

10A

输出电压纹波（Vrr）：

50mV

5、开关频率（fs）：

100kHz

6、负载突变为80%的额定负载

7、电流脉动峰-峰值：

8、二极管的通态压降VD=0.5V，电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V

9、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0.0125，占空比2%，相位延迟0.0065s。

四、设计步骤

（一）主电路参数设计

1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算

Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻（ESR）。

图4-1Buck变换器主电路图

输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，

（式1-1）

电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF。

本例中取为75μΩ*F。

计算出RC和C的值。

C=1500

（二）滤波电感L的计算

开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程

S导通:

++（式1-2）

S关断:

（式1-3）

，再利用

，可得TON=15.154μS，将此值回代式

（2），可得L=294μH

（三）闭环系统的设计

1、闭环系统结构框图

图4-2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

图4-2闭环系统结构框图

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：

图4-3BUCK变换器系统框图

2、BUCK变换器原始回路传函

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

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，为开环传递函数。

将Vm=50V,H（S）=5/6,Vin=80V,C=1500uF,Rc=0.05欧，L=294uH，R=3欧代入传函表达式，得到：

用matlab绘制波德图，得到相角裕度2.28度。

所用matlab程序：

见附录1

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：

见附录2

补偿器的传递函数为：

图4-4有源超前-滞后补偿网络

有源超前——滞后补偿网络有两个零点、二个极点。

零点为：

极点为：

位原点，,

频率与之间的增益可近似为：

在频率与之间的增益则可近似为：

考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取

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。

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。

参考程序如下：

见附录3

依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：

T（s）=GO（s）Gc（s）=

3、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）

图4-5Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图

（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。

经过调试，设置传输延迟（TransportDelay）的时间延迟（TimeDelay）为0.0002，积分（Integrator）的饱和度上限（Uppersaturationlimit）为1.5，下限为1.3，绝对误差（Absolutetolerance）为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为1.5V的锯齿波。

（3）设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。

（4）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2%，相位延迟0.006S。

波形图：

见附录4

五、总结和心得

回顾此次BUCK开关电源闭环控制的仿真研究课程设计的一个星期，我感慨很多。

从理论到时践，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。

它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。

在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。

刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。

然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。

通过这次课设，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。

感谢韩霞老师耐心的教导，一点也不马虎。

让我们受益良多。

正是老师的认真负责才让我们在一周呢学到更多的知识和实用技能。

同时能够顺利地做完课程设计还要感谢同组成员的帮助。

六、参考文献

[1]陆治国.电源的计算机仿真技术.科学出版社.TM91/22

[2]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.TM1-33/10

[3]杜飞.电力电子应用技术的MATLAB实践.中国电力出版社.TM769/5

[4]黄忠霖.电力电子技术的MATLAB实践.国防工业出版社.TM1/334

[5]徐徳洪.电力电子系统建模及控制.机械工业出版社.TM1/306

[6]张卫平.开关变换器的建模与控制.中国电力出版社.TN624/6

七、附录

附录1：

num=[0.003,4];

den=[1.323,0.000294,3];

G0=tf（num,den）

Margin（G0）

附录2：

附录3：

clc;

clear;

Vg=80;L=294*10^-3;C=1500*10^-6;fs=100*10^3;R=47;Vm=50;H=5/6;

G0=tf（[Vg*H/Vm],[L*CL/R1]）

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*C3*fz1）;

num=conv（[C1*R21],[（R1+R3）*C31]）;

den1=conv（[（C1+C2）*R10],[R3*C31]）;

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）

开环bode图：

闭环bode图：

附录4：

无扰动：

局部放大：

有扰动：

局部放大：