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

1、电力电子技术课程设计BUCK开关电源闭环控制的仿真研究20V8VCHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY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/8V2016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

2、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 Vpp50mV 2、负载电阻：R=0.8，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=80kHz3、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75*F4、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

3、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 11.1课题的意义 11.2 BUCK电路的工作原理 11.3 BUCK开关电源的应用 3二、课题设计要求 3三、课题设计方案 43.1系统的组成 43.2主电路部分的设计 43.2.1 占空比D的计算 43.2.2滤波电容C的计算 43.2.3滤波电感L的计算

4、 53.3 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计 53.3.1 反馈回路的设计 53.3.2 闭环回路的设计 63.3.3传递函数的分析 63.4 BUCK变换器原始回路传函G0(s)的计算 73.5 补偿环节的设计 8四、BUCK变换器闭环系统的仿真 114.1 Buck变换器闭环仿真电路图 114.2 Buck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

5、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（DC Chopper）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/DC Converter）。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

6、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。1.2 BUCK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

7、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1.3 BUCK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

8、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 Vpp50mV。 2、负载电阻：R=0.8，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75*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

9、，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3 Buck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5080*F。本例要求取为75*F，由式(3-2)可得RC=50m

10、，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=61.275H。3.3 BUCK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=6k，RY=2k,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

11、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3.3 BUCK变换器系统传函框图3.4 BUCK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

12、=1.5mF,RC=0.05，L=61.275H，R=0.8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

13、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=10000 ,算得：R1=1.2491e+004,R3=40.9823,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

14、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4.1 Buck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4.2 Buck变换器的闭环仿

15、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

16、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

17、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*103;R=0.8;Vm=2;H=0.25;Rc=0.05;G

18、0=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)*fsfz1=(1/2)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;R3=R2/AV2C1=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)