电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究50V20V.doc

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/20V2016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： 6# 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/20V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)：20V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=2，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=0.1V，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11.1BUCK电路的工作原理11.2BUCK开关电源的应用2二、课题设计要求3三、课程设计方案33.1系统的组成33.2主电路的设计43.2.1滤波电容C的计算43.2.2滤波电感L的计算43.3闭环系统的设计53.3.1、闭环系统结构框图53.3.2系统结构框图53.4 BUCK变换器原始回路传函的计算63.5补偿器的传函设计7四、BUCK电路Matlab仿真94.1 BUCK电路闭环电路的仿真94.1.1 主电路的Matlab仿真94.1.2仿真参数设置及仿真结果104.2 BUCK电路闭环带扰动电路的仿真114.2.1 主电路的Matlab仿真114.2.2 参数设置及仿真结果12五、总结14六、参考文献15七、附录16一、课题背景1.1BUCK电路的工作原理图1-1简单Buck电路原理图电路工作过程：该电路使用一个全控型器件，图中为Mosfet，也可以使用其他器件，若采用晶体管，需设置使晶体管关断的辅助电路。图1-1中，为在Mosfet关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。滤波电容C起到稳压的作用。如图1-2中V的栅极电压Ugk波形所示，在t=0时刻驱动开关管导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E,负载电流i0按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压U0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。输出电压：； 图1-2 图1-3上式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；a为导通占空比，简称占空比或导通比。1.2BUCK开关电源的应用开关电源一般有BUCK型（也叫降压型），BOOST（也叫升压），还有很少用到的BUCK-BOOST型（也叫升降压型），BUCK型开关电源就是降压到自己需要的电压，其基本构造一般是大功率开关管（比如大功率MOS管，一般都用MOS管，还有专门的POWERMOS）与负载串联构成。在20世纪60年代很流行，是几十亿美元产值的主要技术根据，但这种的效率还是很低，于是随后出现了MOS管工作在非线性区即开关状态下的开关电源，正是MOS管的开和断，开关电源才因此而得名，对于AC/DC的BUCK型开关电源，前级还是要经变压器降压，以及全波整流和滤波后得到Udc，此时Udc的纹波还是较大，波动范围大概与电网电压的波动成线性比，大概在正负10%左右，假设MOS管导通的时间为T1，截止的时间为T2，那么T1比（T1+T2）的值就是占空比q，假设输出电压为Uo,那么理论上Uo=q*Udc，在Udc与Uo之间需要加续流肖特基和LC滤波电路，以便得到尖峰和纹波更小的输出电压Uo,电感和电容的值不能太小，否则开关电源会设计失败，在Uo输出端需要加电阻来采样电压，然后反馈到误差放大器，误差放大器输出的电压与锯齿波构成电压比较器，输出方波，然后加驱动电路，也叫PWM驱动电路，然后控制开关管，来及时调节导通和关断的时间比，输出稳定的电压。这就是BUCK型开关电源的基本工作原理，这种电源的效率基本可以达到70%80%，如果能有效控制电网电压的波动范围，效率还可以提高，现在基本上比较好的电源的电网电压波动可以做到正负5%（这就涉及到变压器技术）。对于DC/DC的BUCK型开关电源，效率可以更高，比如蓄电池供电，去点亮大功率LED，这时就需要驱动电路，也叫LED驱动模块（本人所在的公司就是设计此类驱动的）而驱动电路就是基于开关电源技术，由于是直流输入，输入电压的波动范围比交流输入的波动范围要小得多，所以效率可以高达90%多。对于整个电路中的MOS管，误差放大器，电压比较器，PWM驱动电路现在有的公司已经将其做成芯片，将其集中在芯片内部，而且有的公司做的很好，误差很小，要输出稳定的，尖峰和纹波比较小的输出电压，无非就是要控制MOS管的占空比很准确，这也就成了芯片做得好与坏的区别之处，那么只要在芯片外加上续流肖特基，LC电路以及其他一些电子器件就可以构成BUCK型开关电源。当然，具体的参数，具体的波形，还是需要去调试和验证的，示波器在此的作用可以说是很大很大，在AC/DC的BUCK型开关电源中，为了得到波动范围更小的Udc,变压器技术在此的作用就显示出来，这一部分应该有专门的人去搞的.在我们国家市电是220V，50HZ，所用的变压器叫做工频变压器，有的国家市电是110V，60HZ，那么工频变压器在这就不适用了，所以就有高频变压器和低频变压器的出现等等，所以在此变压器技术也是很关键，有的名牌电源公司做的电源无论拿到那个国家都是OK的，有的电源只能在本国用，一到其他地方就不行了。二、课题设计要求输入直流电压(VIN)：50V输出电压(VO)：20V负载电阻：输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%开关频率(fs)：70kHzBUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为采用压控开关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。三、课程设计方案3.1系统的组成（1）直流变换：将输入的交流电转换为直流电。（2）控制对象：控制实验的对象。（3）采样网络:采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差。（4）PWM控制器：控制PWM的波形。（5）补偿控制器：校正后来调节PWM控制器的波形的占空比。图3-13.2主电路的设计3.2.1滤波电容C的计算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。根据，,，,所以算出。3.2.2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，再利用，可得出电感L值。计算过程如下：当开关管S开通时(如图3-2)，；图3-2当开关管S关断时(如图3-3)，；且；得出。图3-33.3闭环系统的设计3.3.1、闭环系统结构框图图3-4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。3.3.2系统结构框图 图3-53.4 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=6V,H(S)=0.3,Vin=50V,C=1.5mF,Rc=50m，L=173.17uH，R=2代入传函表达式，得到：用matlab绘制波德图，得到相角裕度22.7度。（如图3-6）所用matlab程序：num=0.0001875，2.5den=2.598*10-7，8.658*10-5,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)图3-6由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3.5补偿器的传函设计有源超前滞后补偿网络电路图3-7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。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。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(见附件)。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。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)=补偿后的系统伯德图如图3-8：图3-8 补偿器的传递函数Gc（s）伯德图补偿后的相角裕度如图3-9：图3-9 闭环传递函数G（s）伯德图补偿后的相角裕度提成为150度，系统稳定度大大提高，达到要求。四、BUCK电路Matlab仿真4.1 BUCK电路闭环电路的仿真4.1.1 主电路的Matlab仿真用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（如图4-1）（不含干扰负载） 图4-14.1.2仿真参数设置及仿真结果 L=173.17H；C=1500F；RC=20m；fs=70khz，对闭环系统进行仿真，并记录波形。经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.33，下限为1.3，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为2.254V的锯齿波。设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。经过仿真调试，仿真波形如图4-2所示：图4-2-a BUCK电路闭环仿真输出电流及其局部放大波形图4-2-b BUCK电路闭环仿真输出电压及其局部放大波形 如图4-2，BUCK电路闭环仿真输出电压稳定后为10V，最大值10.02，最小值9.97，脉动峰-峰值为0.05V，符合要求；输出电流稳定后为10A，最大值为10.02，最小值为9.98，电流峰-峰为0.04A，符合要求。4.2 BUCK电路闭环带扰动电路的仿真4.2.1 主电路的Matlab仿真Matlab绘制Buck电路PID控制系统的仿真图，如图4-3所示：图4-3 BUCK电路闭环带扰动仿真图 4.2.2 参数设置及仿真结果经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限为1.33，下限为1.3， PWM的载波为70kHz，幅值为2.254V的锯齿波。设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形如4-4所示：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如4-4所示：图4-4-a BUCK电路闭环带扰动仿真电流及其局部放大波形 图4-4-b BUCK电路闭带扰动环仿真电流及其局部放大波形 如图4-4所示，BUCK电路闭环带干扰仿真电路稳定后输出电压为20V，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20.002V，最小值为20.998V，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 为期一周的电力电子课程设计中，在反复的实验调试中，我学到了很多知识。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。通过闭环仿真，可以看到闭环控制的稳压及抑制干扰作用。 为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有双极点、双零点补偿的PI控制器。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的双极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。通过matlab检测了闭环系统的稳定性。 本次课程设计是对本学期学习的一个检验，把理论的运用到应用中。实验过程中遇到难点，通过上网查资料丰富了自己的知识，本次实验学会了使用Matlab仿真软件， 感受到仿真软件matlab的优点，能够更好的实现现实中的问题。在此，表达对韩霞老师的感谢。在以后的学习道路中，我会更好的把仿真与实际问题结合，更好的解决实际问题。六、参考文献1电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社2、开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社3、电力电子应用技术的MATLAB仿真林飞，中国电力出版社，20094、电力电子课程设计指导书 本院编5、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出