buck变换器设计报告

波形111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111BUCK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设计指标输入电压标称直流48V 范围：43V53V输出电压：直流24V输出电流：直流5A输出电压纹波：100mV电流纹波：0.25A开关频率：250kHz相位裕量：60幅值裕量：10dB1.2 设计要求计算主回路的电感和电容值开关器件选用MOSFET, 计算其电压和电流定额设计控制器结构和参数画出整个电路, 给出仿真结果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Vin=43V时，Vo=24V，D=0.558 , 求得L=85H当Vin=48V时，Vo=24V，D=0.5 , 求得L=96H当Vin=53V时，Vo=24V，D=0.453，求得L=105H所以，取L=105H2.2 电容值的计算代入，得C=1.25F，由于考虑实际中能量存储以及输入和负载变化，一般取C大于该值，取C=120F2.3 开关器件电压电流计算Vsw=Vin-max=53V2.4 开传递函数的确定Gvds=1+sResrC1+s2L1+ResrRC+s(LR+ResrC)VinGvds=Vin(s)d(s)=Vin(1+sZ)1+s202+s/(Q0)其中 Resr=50mz=1ResrC=10.05120/106 rad/s= rad/s 0=1LC1+ResrR=+0.054.8=8863 rad/sQ=LCLR+ResrC=12010510-610510-6/4.8+0.0512010-6 =4.018故开环传递函数为Gvds=48(1+s)s+s35612+13 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 波形666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666%，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:T=Gvd(s)H(s)Gc(s)GPWM调节器增益：Gc(s)GPWM反馈因子：H(s)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704.4.2 确定剪切频率 由于PID调节器可以提供180度相位超前fcHz=Hz取 fc=10kHz。4.4.3 确定Gb由开环传递函数可以求得当fc=10kHZ，即c=2104 rad/s 时，由于,所以Hs=13.32=0.3,可得代入传递函数G(s)H(s),可得Gb=1GsHs=3.194.4.4 各电路参数及Gc(s)的确定c=-157b=70+157-90=137由K因子法公式可得由公式tanA-B=tanA-tanB1+tanAtanB可得进而可得K+1K=27.8K-1K=27.7解得 K=27.75c=KGb1R1(C2+C3)p1=2Kfc=1R2C2p2=2Kfc=1R3C2C3C2+C3z1=cK=1R1+R2C1z1=cK=1R3C3已知 c=2104rad/s，K=27.75，Gb=3.19，R1=2.32k代入解得z1=z2=11927 rad/sp1=p2= rad/sGc(s)表达式为：代入得Gc(s)= 7.913106s2 + 1.8881011s + 1.12610151.423s3+ 9.418105s2 + 1.5591011s5 系统闭环电路设计5.1 基于MATLAB的闭环系统图 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