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BUCK变换器设计.docx

1、BUCK变换器设计报告 一、 BUCK变换器原理降压变换器(Buck Converter)就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低,但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源。二、 BUCK主电路参数计算及器件选择1、BUCK变换器的设计方法利用MATLAB和PSPICE对设计电路进行设计,根据设计指标选取合适的主电路及主电路元件参数,建立仿真模型,并进行变换器开环性能的仿真,再选取合适的闭环控制器进行闭环控制系统的设计,比较开环闭环仿真模型的超调量、调节时间等,选取性能优良的模型进行电路搭建。2、 主电路的设计指标 输入电压:标称直流48V,范围

2、4353V 输出电压:直流24V,5A 输出电压纹波:100mV 电流纹波:0.25A 开关频率:250kHz 相位裕量:60 幅值裕量:10dB 3、BUCK主电路主电路的相关参数:开关周期:TS=410-6s占空比:当输入电压为43V时,Dmax=0.55814 当输入电压为53V时,Dmin=0.45283输出电压:VO=24V 输出电流IO=5A纹波电流:iL=0.25A纹波电压:VL=100mV电感量计算:由iL=DTS得: L=DminTS=0.4528410-6=1.0510-4H电容量计算:由VL=TS得: C=TS=410-6=1.2510-6F而实际中,考虑到能量存储以及输

3、入和负载变化的影响,C的取值一般要大于该计算值,故取值为120F。实际中,电解电容一般都具有等效串联电阻,因此在选择的过程中要注意此电阻的大小对系统性能的影响。通常钽电容的ESR在100毫欧姆以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至高达数欧。ESR的高低与电容的容量、电压、频率和温度等多因素有关,一般对于等效串联电阻过大的电容,我们可以采用电容并联的方法减小此串联电阻。此处取RESR=50m。4、 主电路的开环传递函数 取RESR=50m,R=4.8,C=120F,L=105H,Vin=48V,可得传递函数为:在MATLAB中根据开环传递函数画出Bode图: clear nu

4、m0=2.88e-4,48; den1=1.27313e-8,2.7875e-5,1; bode(num0,den1) kg,gm,wkg,wgm=margin(num0,den1) grid相角裕量23.0483,显然不符合设计要求,考虑对其增添闭环控制回路进行校正。5、主电路的PSIM仿真电路如下:电流I1波形如下:电压V1波形如下:三、BUCK变换器控制框图BUCK变换器的控制器主要有电压型控制和电流型控制,其各自电路图如下所示电压型:电流型:电压型控制原理是将开环电路的输出电压进行采样,采样信号H(s)与基准电压VREF输送到误差放大器,G(s)设计的有源串联校正PID环节。其输出经过

5、补偿在经过PWM,调制后的信号控制开关Q的通断,以此来控制输出电压的稳定,达到闭环控制的目的;电流型控制用通过功率开关的电流波形替代普通PWM的载波信号,每个开关周期之初,由时钟脉冲置位RS触发器,于是Q1导通,之后iL逐渐增加,当iL大于调制信号时,比较器翻转并复位RS触发器,Q1关断。综合考虑难易程度和功能特性,本设计采用电压型控制电路。采用电压型控制电路的BUCK转换器原理框图如下所示:Gvd(s)为开环增益,Gc(s)GPWM为调节器,H为反馈因子。则该框图的闭环增益为:三、 K-因子法设计控制器调节器类型有三种:PID调节器性能最佳。搭建好闭环电路,确定串联PID校正环节,确定新的开

6、环剪切频率和相位裕量,确定控制回路中各个电阻电容的取值,这一工作可采用K-因子法完成,K-因子法设计步骤是:确定新的剪切频率;确定校正前处的相角和校正后的相位裕量,计算需要的相位超前量。计算公式为基于确定K值,PID调节器公式为: 基于K-因子确定补偿器的零点、极点位置,并计算调节器参数。公式为:校正环节传递函数如下为:取 计算得校正环节传递函数为四、 MATLAB SISOTOOL利用以上求得的数据,用MATLAB的SISOTOOL工具箱可以画出加入补偿器后的传递函数BODE图如下幅值裕量、相角裕量均满足设计要求五、 PSIM仿真结果1、带有PID调节器的PSIM电路如下所示:2、 将R1、R2、R3、C1、C2、C3参数输入以上电路,仿真结果如下:VO波形如下将X坐标轴改为0.004到0.0045范围IO波形如下将X坐标轴改为0.004到0.0045范围电流电压纹波均满足设计要求。

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