电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--50V30V.docx

CHANGZHOU 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- 50V/30V2016年6月电力电子课程设计任务书二级学院：电气与光电工程学院 班级：13电二组号： 4# 专业：电气工程及其自动化指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-50V/30V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)：50V，输出电压(VO)：30V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=3，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、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20 目录一、 BUCK电路的基本原理1二、 主电路图的设计21主电路参数设计2三、 闭环系统框图31系统传递函数框图32的计算3四、补偿器传递函数设计及系统仿真41 补偿器传递函数设计72闭环系统的仿真7五 设计总结10六 参考文献11七 附录12程序112程序2121、 BUCK电路基本原理 Buck变换器主电路图 Buck电路是由一个Mosfet S与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1.驱动信号Ug周期地控制Mosfet S的导通与截止，通过改变Ug的占空比D，改变输出电压U0。Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。LDO的特点： 非常低的输入输出电压差 非常小的内部损耗 很小的温度漂移 很高的输出电压稳定度 很好的负载和线性调整率 很宽的工作温度范围 较宽的输入电压范围 外围电路非常简单，使用起来极为方便。 BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。 简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。二、主电路图的设计1、输入直流电压(VIN)：50V，输出电压(VO)：30V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=3，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、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 主电路参数设计（一）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)。 输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， 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5080*F。本例中取为75*F。 RC=0.05=50m，C=0.0015F=1500uF。 （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， 假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。利用，可得TON=8.7S， L=169.6H当L=169.6H时，电感电流在0.951.10之间脉动，符合iL0.1IN=1A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。 三、闭环系统框图 (一)系统传递函数框图图3-1 闭环系统框图整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）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。（二）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。Vref=Vm=9V假设PFM锯齿波幅值Vm=9V，Rx=3K，Ry=1.3K,可得采用网络传递函数 H（s）=0.3将Vm=9V,H(S)=0.3,Vin=50V,C=1.5mF,Rc=50m欧，L=169.6uH，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19.9度。程序在附录中给出图4-5由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。四、补偿器的传函设计及闭环仿真补偿网络电路如图 有源超前-滞后补偿网络电路补偿器的传递函数为： 有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。如下所示 零点为：, 极点为：为原点， 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（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。 根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下：取 R2=10000欧姆 H(S)=3/10算得：R1=5.0098e+03欧姆 R3=11.2783欧姆 C1=1.0100e-07F C2=2.2736e-010F C3=2.0157e-07Ffz1 =157.5869HZ fz2 =157.5869HZ fp2 = 70000KHZ fp3 =70000KHZAV1 =1.9961 AV2 =886.6592 由（2）（3）式得：补偿器伯德图为：超前滞后校正器的伯德图加入补偿器后：加入补偿器后系统的伯德图相角裕度和幅值裕度为：加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度相角裕度到达150度，符合题目设计要求。 闭环系统的仿真 （一）仿真参数： 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)（二）加PID控制的仿真电路如下图 （三）无干扰时电压、电流波形如下图我们组的课程设计要求是输入直流电压(VIN)：50V，输出电压(VO)：30V，所以对波形图电压进行了多次的调整，最后稳定在输出电压(VO)：30V上下，调试图如下放大图所示。 (四)稳定之后局部放大电流、电压图： (五)采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸电流电压波形图（仿真结果） 如上图所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为30V，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为30.002V，最小值为29.998V，峰-峰值为0.004V，符合要求；输出电流稳定后为10A，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为10.002A，最小值为9.998A，峰-峰值为0.004A，符合要求 。五、总结 本次课程设计是针对BUCK降压斩波器，包括电路的原理分析，buck电路的主电路参数设计，buck电路的闭环设计及buck电路的闭环仿真。由于本学期刚学matlab软件，而且并没有中文版的软件，所以一些功能按钮都要自己摸索学习，看了许多百度上的帖子和各个功能按钮的应用，我们这专业注定是要和各种专业英语打交道的，我感觉专业英语方面有待提高，一些专业术语的英文不熟悉会耽误很多时间。再次强调matlab软件的强大，本专业的许多课程有很多方面设计matlab的仿真，很便于我们学习调试和检测闭环系统的稳定性。在实验过程中，我们被安排的三人一组的形式进行课程设计，我们各自分工，有人完成仿真，有人完成调试，也会积极采取各自的建议，修改一些数据达到最后的实验结果要求。此次课程设计，我更加熟悉了matlab软件、虽然此前有过闭环系统分析方面课程的学习，但本次无疑是加深了对它的了解，从前只是单纯的运算结果，此次结合了波形图仿真，更加直观的认识了闭环系统的组成。六 、参考文献1 新型单片开关电源设计与应用技术 沙占友 北京：电子工业出版社，20042 新型开关电源使用技术王英剑等 电子工业出版社，19993 新型开关电源设计与应用 何希才 科学出版社，20014 新型开关电源设计与维修 何希才 国防工业出版社，20015 电力电子应用技术的MATLAB仿真 林飞，中国电力出版社，2009七 、附录程序1num=3.75*10(-4)，5den=7.632*10(-7),1.696*10(-4),3G0 =tf(num,den)Margin(G0)程序2clc;clear;Vg=50;L=170*10-6;C=1.5*10-3;fs=70*103;R=3;Vm=9;H=0.3G0=tf(Vg*H/Vm, L*C L/R 1)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*103;R3=R2/AV2;C1=1/(2