buck变换器设计报告

BUCK 变换器设计报告变换器设计报告 电力电子装置及应用课程设计 1 设计指标及要求 1 1 设计指标 输输入入电压标电压标称直流称直流 48V48V 范范围围 43V 53V43V 53V 输输出出电压电压 直流 直流 24V24V 输输出出电电流 直流流 直流 5A5A 输输出出电压纹电压纹波 波 100mV100mV 电电流流纹纹波 波 0 25A0 25A 开关开关频频率 率 250kHz250kHz 相位裕量 相位裕量 6060 幅幅值值裕量 裕量 10dB10dB 1 2 设计要求 计计算主回路的算主回路的电电感和感和电电容容值值 开关器件开关器件选选用用MOSFET MOSFET 计计算其算其电压电压和和电电流定流定额额 设计设计控制器控制器结结构和参数构和参数 画出整个画出整个电电路路 给给出仿真出仿真结结果果 2 BUCK 主电路各参数计算 图 1 利用 matlab 搭建的 BUCK 主电路 Mosfet2 在 0 01s 时导通 使得负载电阻由 9 6 变为 4 8 也就是 说负载由半载到满载 稳态时负载电流上升一倍 负载电压不变 这 两种状态的转换的过程的表征系统的性能指标 2 1 电感值计算 当时 D 0 558 求得 43 24 L 85 当时 D 0 5 求得 48 24 L 96 当时 D 0 453 求得 53 24 L 105 所以 取L 105 2 2 电容值的计算 代入 得 由于考虑实际中能量存 1 25 储以及输入和负载变化 一般取 C 大于该值 取 120 F 2 3 开关器件电压电流计算 53 2 4 开传递函数的确定 1 1 2 1 1 1 2 2 0 0 其中 50 1 1 0 05 120 106 0 1 1 0 05 4 8 8863 120 105 10 6 105 10 6 4 8 0 05 120 10 6 4 018 故开环传递函数为 48 1 35612 1 3 系统开环性能 3 1 开环传递函数的阶跃响应 由 MATLAB 可以作出系统的开环函数的单位阶跃响应 如下图所示 由图可知 系统振荡时间较长 在 5ms 之后才可以达到稳定值 超调 量为 66 67 需要增加校正装置进行校正 3 2 系统开环输出电压电压 电流响应 由 MATLAB simulink 作出的系统的输出电压 电流响应如下图所示 图 2 开环电压 电流响应 在 0 01s 时负载由 9 6 变为 4 8 电压振荡后不变 电流增大一倍 由图可知电压超调量达到 70 电流超调量达到 75 图 3 负载变化时电流响应图 4 负载变化时点响应 图 3 电流纹波图 4 电压纹波 电流纹波约为 0 002A 电压纹波为 0 01V 符合设计的要求 由于器 件本身的压降损耗等因素 电压稳态值不等于 24V 电流的稳态值也 不等于 5A 4 控制系统设计 4 1 控制原理 图 5 闭环控制系统原理 取输出输出信号作为反馈信号 经过校正装置来控制 MOSFET 的导通 和断开 在开关周期一定的情况下控制占空比 实现闭环控制 根据 控制信号的不同 有以下两种控制方法 图 6 电压型控制 电压控制型 电压作为反馈信号 经过校正装置与锯齿波比较来控制 开关的占空比 图 7 电流型控制 电流峰值控制 用通过功率开关的电流波形替代普通PWM调制电路中 的载波信号 4 2 闭环系统结构图 图 8 闭环系统结构图 闭环增益 调节器增益 反馈因子 4 3 调节器类型 积分器 PI 调节器 PID 调节器 积分器 斜率 20db dec 90 PI调节器 加入一个零点 局部斜率平坦 并且可提供90 的超前相 位 PID调节器 加入两个零点 局部斜率上翘 并且可提供180 的超前 相位 4 4 闭环系统各参数确定 采用电压型控制 取输出电压作为反馈量 选用PID调节器进行调节 并且使用K因子法确定各参数的数值 4 4 1 确定相位裕量 根据设计要求 相位裕量为 60 为确保校正成功 取相位裕量为 70 4 4 2 确定剪切频率 由于 PID 调节器可以提供 180 度相位超前 取 10 4 4 3 确定 由开环传递函数可以求得当 即 时 10 2 104 由于 所以 可得代入传 1 3 32 0 3 递函数 可得 1 3 19 4 4 4 各电路参数及的确定 157 70 157 90 137 由 K 因子法公式可得 由公式 tan tan 1 可得 进而可得 1 27 8 1 27 7 解得 K 27 75 1 1 2 3 1 2 1 2 2 2 2 1 3 2 3 2 3 1 1 1 2 1 1 1 3 3 已知 K 27 75 2 104 3 19 1 2 32 代入解得 1 2 11927 1 2 表达式为 代入得 7 913 106 2 1 888 1011 1 126 1015 1 423 3 9 418 105 2 1 559 1011 5 系统闭环电路设计 5 15 1 基于基于 MATLABMATLAB 的的闭环闭环系系统统 图 MATLAB 下系统闭环电路 5 1 1 校正后的 bode 图 MATLAB 作出的校正后的系统 bode 图 图 9 校正前后 bode 图 利用MATLAB SISOTOOL同样可以作出加入PID调节器系统的bode图 图10 MATLAB SISOTOOL作出的bode图 图中方形点为极点 圆形点为零点 由图中可以直接读出 并可以求得幅值裕量为无穷大 均符合设计要求 5 1 2 系统的闭闭环单位阶跃响应 图11 闭环传递函数的单位阶跃响应 对比开环传递函数的单位阶跃响应图可知 系统响应速度加快 在 0 5ms时基本达到稳态值 振荡过程大大缩短 5 1 3 闭环系统输出电压 电流波形 图12 电压响应波形 图13 电流响应波形 图14 负载变化电流响应 图15 负载变化电压响应 电压电流纹波状况如下图所示 图16电流纹波 图 电压纹波 由图可知电压电流响应都明显快于开环系统 振荡的幅度小 振荡时 间