电力电子课程设计

天天 津津 理理 工工 大大 学学 课程设计报告课程设计报告 题目 数字式题目 数字式 Buck 变换器系统设计变换器系统设计 学生姓名学生姓名 刘磊刘磊 学号学号 20110761 届届 2014 班级班级 11 级级 2 班班 指导教师指导教师 陈鹏陈鹏 专业专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 起始日期起始日期2014 年年 6 月月 1 日日 审核日期审核日期 2013 年年 6 月月 26 日日 第一章第一章 课程设计内容和要求课程设计内容和要求 1 11 1 课程设计内容课程设计内容 本课程设计要求设计如图 BUCK 变换器主电路 VinVin Q Q f C f L R R D DUbUb UoUo A A 电路参数如下 输入电压 Vin 30VDC 输出性能 Vout 15VDC Vout p p 0 2v Iout 10A 当 Iout 0 1A 时 电感电流临界连续 负载电阻 0 1 8 欧 开关频率 fs 200KHz 控制算法采用 PI 控制 对控制 PI 参数进行整定 进行 MATLAB 进行仿真 说明控制效果 进行程序编制 1 21 2 课程设计要求课程设计要求 1 进行主电路设计 选择滤波电容 电感 MOSFET 等主电路器件 2 进行 PI 控制算法设计 3 进行 MATLAB 仿真 4 设计控制系统电路画出电路图 1 31 3 课程设计要点 设计步骤课程设计要点 设计步骤 1 熟练掌握常用 EDA 设计软件 如 protel 等 进行原理图设计 2 采用 MATLAB 软件进行控制参数的设计 3 根据参数要求设计主电路参数 1 41 4 主要技术关键的分析 解决思路主要技术关键的分析 解决思路 1 分析 Buck 变换器基本工作原理及工作模式 2 根据 Buck 变换器性能指标设计主电路参数 3 设计控制系统参数 4 进行仿真分析 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 第一节 Buck 变换器技术 1 1 Buck 变换器基本工作原理 Buck 电路是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的 其电路如 1 1 驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止 当晶体管导通时 若忽略 其饱和压降 输出电压 uo 等于输入电压 当晶体管截止时 若忽略晶体管的漏 电流 输出电压为 0 电路的主要工作波形如图 1 2 V Vi in n Q Q f C f L R R D DU Ub b U Uo o A A 图 1 1 Buck 变换器电路 U Ub b 0 0 A U 0 0 0 0 t t t t t t V Vi in n L i L i Q QO ON N Q QO Of ff f 图 1 2 Buck 变换器的主要工作波形 1 2 Buck 变换器工作模态分析 在分析 Buck 变换器之前 做出以下假设 开关管 Q 二极管 D 均为理想器件 电感 电容均为理想元件 电感电流连续 当电路进入稳态工作时 可以认为输出电压为常数 在一个开关周期中 变换器有 2 种开关模态 其等效电路如图 1 3 所示 各开关模态的工作情况描述如下 1 开关模态 0 t0 t1 t0 t1 对应图 1 3 a 在 t0 时刻 开关管 Q 恰好开通 二极管 D 截止 此时 dt di LUU oi 电感中的电流线性上升 式 1 1 可写成 on on on ominomax oi T i L T ii LUU 2 开关模态 1 t1 t2 t1 t2 对应图 1 3 b 在 t1 时刻 开关管 Q 恰好关断 二极管 D 导 通 此时 dt di LU0 o 电感中的电流线性下降 式 1 3 可写成 off off off ominomax off omaxomin o T i L T ii L T ii LU 式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间 在稳态时 联解式 1 2iii onoff 与式 1 4 可得 io DUU 输出电流平均值 ii 2 1 I ominomaxo V Vi in n Q Q f C f L R R D DU Ub b U Uo o A A 图 1 3 a t0 t1 V Vi in n Q Q f C f L R R D DU Ub b U Uo o A A 图 1 3 b t1 t2 U Ub b 0 0 A U 0 0 0 0 t t t t t t V Vi in n L i L i t t0 0t t1 1t t2 2 Q QO ON N Q QO Of ff f 图 1 3 a t1 t2 的主要工作波形 U Ub b 0 0 A U 0 0 0 0 t t t t t t V Vi in n L i L i t t0 0t t1 1t t2 2 Q QO ON N Q QO Of ff f 图 1 3 b t1 t2 的主要工作波形 1 3 Buck 变换器外特性 在恒定占空比下 变化器的输出电压与输出电流的关系 Uo f io 称为变 换器的外特性 式 1 5 表示了电感电流连续时变换器的外特性 输出电压与负 载电流无关 当负载电流减小时 可能出现电感电流断续现象 图 1 4 为电感 电流断续时电流波形图 由式 1 2 与式 1 4 可知 当输入电压和输出电压一定时 为常数 由式i 1 6 可见 当负载电流减少到时 此时最小负载电流 即0iomin iiomax omin I 为电感临界连续电流 G I 2 i i 2 1 II omaxominG 由式 1 2 及式 1 5 得 带入式 1 7 得 i 式 1 8 D1 D L2 TU I i G 由上式可见 临界连续电流与占空度的关系为二次函数 当 D 1 2 时 临 界连续电流达到最大值 式 1 9 L8 TU I i Gmax 当电感电流断续时 即在 Toff 结束前续流二极管的电流已下降到 0 此时 输出的平均电流为 式 1 10 TiTi 2 1 T 1 I off offonono 式中 为开关管关断后电感电流持续的时间 并且 off T 式 1 11 offo off onoion TU L 1 i T UU L 1 i 稳态时 由式 1 11 得 offon ii 式 1 12 on o oi off T U UU T 将式 1 11 及式 1 12 带入式 1 10 得 式 1 13 o oi 2 Gmaxo U UU D4I I 即 2 Gmaxo io DI4 I1 1 U U 式 1 14 0 0 T To on n T To of ff f off T L i t t 图 1 4 电感电流断续时电流波形 可见在电流断续区 输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关 而且与负载 电流有关 第二节 Buck 变换器参数设计 2 1 Buck 变换器性能指标 输入电压 Vin 30VDC 输出性能 Vout 15VDC Vout p p 0 2v Iout 10A 当 Iout 0 1A 时 电感电流临界连续 开关频率 fs 200KHz 2 2 Buck 变换器主电路设计 2 2 1 占空比 D 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 求出占空比的变化范围 D Uo Ui 15 30 0 5 式 2 1 2 2 2 滤波电感 Lf 1 滤波电感量 Lf 计算 变换器轻载时 如果工作在电流连续区 那么为了保持一定的输出电压 占空比大为减小 也就是说开关管导通时间很短 如果这个时间小于开关管的 存储时间与最小控制时间之和 变换器的输出将出现失控或输出纹波加大 因 此希望变换器工作在电感电流连续状态 所以 以最小输出电流 Iomin 作为电 感临界连续电流来设计电感 即 A2 0I2i ominminL 在 Q 关断时 由式 1 4 得 sLmin mino Lmin off max o f max fi D1U i TU L 5x 1 0 5 0 2x200 62 5uH 式 2 2 由 Lf Lf min 取 Lf 62 5uH 2 2 3 滤波电容 Cf 1 滤波电容量 Cf 计算 在开关变换器中 滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取 该 Buck 变换器的输出电压纹波要求 Vout p p 0 2v 若设 即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量 电容在0io 时间间隔内充放电 电容充电的平均电流 2 T2 T T offon 式 2 8 D1 L4 TU 4 i 4 i I f oLc c 电容峰峰值纹波电压为 式 2 9 D1 fC8L U dtI C 1 U 2 sff o 2 T 0 c f c 因此 得 式 2 c 2 sf o f UfL8 D1 U C 10 取 D 0 5 时 Cf 的值最大 即 v5 0VU p p outc 式 2 11 F186 0 2v KHz200 H5 628 5 01 V15 C 2 f max 由 Cf Cf max 得 取 Cf 186uF 2 滤波电容的耐压值 输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值 一般比输出电压的最大 值高一些 但不必高太多 以降低成本 由于最大输出电压为 15V 则电容的 耐压值为 15V 3 滤波电容的选取 由输出滤波电容的电容量 Cf 186uF 耐压值为 15V 留有一定的裕量 则 选取 186uF 15V 电容 2 2 4 开关管 Q 的选取 该电路的输入电压是 10V 则开关管耐压值为 10V 电流的最大值为 其开关频率为 因A 1 102 20A10A102 iII oQp KHz200f 此选用的 MOSFET 管 其额定值为 A15 30V 2 2 5 续流二极管 D 的选取 w 续流二极管所承受的最大反向电压为 Vin 10V 在时 二极管电流A10I o 的有效值为 续流二极管的工作频率为A07 7 501A10D1II oD f 200KHz 考虑一定的裕量 选用肖特基二极管 SR150 1 其电压和电流额定 值为 30V 10A 第三节 Buck 变换器闭环控制的参数设计 3 1 闭环控制原理 为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标 需要对变化器进行 闭环控制 其工作原理为 输出电压采样与电压基准送到误差放大器 其输出 经过一定的补偿后与锯齿波 即调制波进行交截来控制占空比 从而控制开关 管 Q 的通断 控制输出电压的稳定 同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动 的能力 图 3 1 为闭环控制电路的基本原理图 V Vi in n Q Q f C f L R R D D U Uo o A A H H s s V Vr re ef f G Gc c s s 脉脉宽宽 调调制制 图 3 1 Buck 电路闭环控制基本原理图 G Gc c s s 1 1 V Vm mG Gv vd d s s G Gv vg g s s Z Zo ou ut t s s H H s s s ref V v s e v s c d s v s s H v s v s g i s load 环环路路增增益益 T T s s H H s s G Gc c s s G Gv vd d s s V Vm m T T s s 图 3 2 PWM 型 DC DC 变换器的小信号模型 为了实现闭环控制 为了进一步研究参数对闭环控制的影响 建立 PWM 型 DC DC 变换器的小信号模型 如图 3 2 所示 Gc s 为补偿器的传递函数 Gvd s 为低通滤波器的传递函数 Vm 为载波信号的峰峰值 从小信号模型分析 其环路增益 T s H s Gc s Gvd s Vm 要到到闭环控制的目的 其环路增益 T s 要满足一定的条件 环路增益在低频段要有高增益 呈现积分特性 使系统成为误差系统 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度 使系统稳定 环路增益在高频段要具有 40dB Dec 的斜率 以抑制高频干扰 3 2 Buck 变换器的闭环电路参数设计 3 2 1 Gvd s 的传递函数分析 V Vi in n Q Q f C f L R R D DU Ub b U Uo o A A 在 CCM 情况下 占空比 d 到输出电压 Vo 的小信号传递函数为 式 4 1 2 00 zc gvd sQ s1 s1 V s G 其中 f zp f c zc f L zL fcLf0 ff 0 RC 1 C R L R CRRR L 1 Q CL 1 该 Buck 变换器的输入电压为 30V 输出电压为 15V 输出电流为 10A Lf 625uH Cf 186uF 取 RL 5m Rc 25m 用 Mathcad 画出 Gvd s 的 幅频特性曲线及相频特性曲线 如图 3 3 a 图 3 3 b 所示 1 10 3 0 010 11101001 103 1 104 1 105 1 106 1 107 1 108 100 50 0 Gvd s 的幅频 gvd f f 图 3 3 a Gvd s 的幅频特性曲线 从图 4 3 a 可以求得 Gvd s 的低频增益为 33 625dB 谐振频率 fr 2 52KHz 截止频率 fc 18 67KHz 并且斜率为 40dB Dec 这是一个典型的 低通滤波器 遇到滤波电容 Cf 的 ESR 产生的零点处频率 636 6KHz 时 幅频特 性曲线斜率变为 20dB Dec 1 10 3 0 010 11101001 103 1 104 1 105 1 106 1 107 1 108 150 100 50 0 Gvd s 的相频 f f 图 3 3 b Gvd s 的相频特性曲线 从 3 3 b 图中可求得 其相角裕度为 5 868 度 可以看出 相角裕度不 足 要进行补偿设计 第四节 Buck 变换器闭环仿真 4 1 Buck 变换器闭环仿真参数及指标 为了验证闭环控制的工作原理及正确性 采用 SABER 软件对电路做了仿真 分析 仿真所用的参数为 输入直流电压 Vin 30VDC 输出直流电压 Vo 15V 开关频率 fs 200KHz 输出电流 Io 10A 输出滤波电感 Lf 625uH 输出滤波电容 Cf 186uF 开关管 MOSFET MTD6N15T4G 续流二极管 肖特基 SR150 1 采样分压电阻 Rf1 19K Rf2 5K 参考电压 Vref 15V 补偿网络 R1 16K R2 60K R3 70 C1 1nF C2 3 5nF C3 7pF 载波信号 锯齿波 Vm 2 4V T 5us 4 2 Buck 变换器闭环仿真电路原理图 V Vi in n Q Q f C f L R R D D A A R R1 1 R R2 2 C C2 2 V Vr re ef f C C1 1 R R3 3 C C3 3 C Co om mp pe en ns sa at to or r V Vo ou ut t C Co om mp pa ar ra at to or r 4 48 8V V 3 36 60 0u uH H 1 10 0u uF F 1 12 2 R RL L 5 5m m R Rc c2 25 5m m R Rf f1 1 R Rf f2 2 1 19 9K K 5 5K K 1 16 6K K 7 70 0 3 3 5 5n nF F 6 60 0K K 1 1n nF F 7 7p pF F 图 4 1 闭环仿真电路原理图 4 3 Buck 变换器的闭环仿真结果与分析 仿真结果如下图 图 4 2 输入电压与输出电压波形 图 4 3 输出电压的纹波 图 4 4 初始工作时的调节过程 图 4 5 稳态工作波形 图 4 6 输入电压变化时输出波形 图 4 2 为输入电压与输出电压波形 从图 其调节时间为 0 35ms 响应速度很 快 图 4 3 为输出电压的纹波 由图得 其纹波电压峰峰值为 9mv 左右 满足要求 图 4 4 为初始工作时调节过程 图 4 5 为稳态工作时各波形 图 4 6 为输入电压有变化时输出电压波形 可以看出 通过闭环控制 达到了 很好的稳压效果 小结小结 通过本次设计 让我知道了理论结合实践的重要性 在设计过程中虽然遇到 了一些问题 但经过