基于PI控制方式的8A开关电源MATLAB仿真研究.doc

基于PI控制方式的8A开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化 1 绪论Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。2 设计要求技术指标：输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：8A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz.设计主电路以及校正网络，使满足以上要求。3 主电路参数计算主电路如图1图1 Buck电路3.1 电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得： 取 取3.2 电感参数计算由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程假设： 其中L中串联电阻可得：由matlab仿真，得图2，可知当取时，电感电流在7A-8.8A之间脉动，符合的要求图2 电感电流4 补偿网络设计4.1 原始回路增益函数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假设：PWM锯齿波幅值采样电阻；则采样网络传递函数可得极点频率零点频率原始函数增益为- 图3 原始回路伯德图相位裕度：40.3穿越频率：1.47e3Hz根据要求相位裕度应达到50-55穿越频率提升到（即10kHz-20kHz）均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。4.2 PI补偿网络设计PI补偿网络的传递函数通常以为超前校正网络的传递函数近似代替，超前校正网络的传递函数为： 假设：期望的相位裕度；穿越频率为了提高系统穿越频率，则需要在其幅值下降前抬高它的下降速度为-20db/s，才能提高其穿越频率。因此令：补偿网络零点频率 补偿网络极点频率则：公式求得补偿网络增益：可得： 图4 校正网络伯德图(PI)在不忽略电容等效电阻的情况下，系统低频段多出一个零点，抑制了相位裕度的范围，只使用单一的PI调节难以做到既满足相位裕度，又满足幅值穿越频率。因此这里暂时忽略电容等效电阻带来的影响。整个系统的传递函数如下： 图5 整个系统伯德图（PI）PD相位裕度：50穿越频率：1.5e4Hz因此可知，经过校正，系统满足了要求指标图6 总系统图(负载扰动）动)图7 总系统图(电源扰动） 图8 系统仿真图（PI）采用脉冲控制理想开关的通断，观察系统突加突卸能力（负载扰动）：图9 突加突卸能力（PI）由于忽略了电容等效电阻，使得输出电压纹波极小，小于50mv，满足要求。系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.2V的波动，恢复时间约为200s，效果并不很好。观察系统电源突加突卸能力（电源扰动）：图10 电源扰动1（PI）图11 电源扰动（PI）5 小结通过本次作业，学习了MATLAB的使用，在BUCK电路上进行一系列仿真等。从一开始得知作业，有很多不会的方面，比如最后扰动和抗干扰方面很难进行下去。经过一个多星期的努力，并学习，最终慢慢的完成了本次作业。从一开始的失败，让我体会到了自己的不足，知道了还有很多的不会。但通过学习知道了要结合上课的知识和实际的情况。让我在以后工作中能更好的融入，收获很大。参考文献1许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践J.电气电子教学学报.20082胡寿松.自动控制原理M.5版.科学出版社.20083王中鲜，赵魁，徐建东.MATLAB建模与仿真应用教程M.2版.机械工业出版社.20144魏艳君，李向丽，张迪.电力电子电路仿真：MATLAB和PSpice应用M.机械工业出版社.20125张卫平等.开关变换器的建模与控制M.北京:中国电力出版社,2006.01.6万山明,吴芳.开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计J. 电源技术应用,2004,7(3):142-145.7杨旭等.开关电源技术M.北京:机械工业出版社,2004.03.8张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社，1999:176184.9王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2002:258263.10周志敏.周纪海.开关电源实用技术与应用M.北京：人民邮电出版社，2003:15