正激变换器及其控制电路的设计及仿真

1、正激变换器及其控制电路的设计及仿真正激变换器及其控制电路的设计及仿真设计要求：1、输入电压：100V(±20%);2、 输出电压：12V;3、 输出电流：1A;4、 电压纹波：v70mV(峰峰值)；5、 效率：刀78%;6、负载调整率：1%;7、满载到半载，十分之一载到半载纹波v200mVo第一章绪论1 .课题研究意义：对于大部分DC/DC变换器电路结构，其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接，然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离，这时就可以在基本DC/DC变换电路中加入变压器，从而得到输入输出之间电隔离的DC/DC变换器。而正激变化器就实现了这种功能。2 .课题研究内容：

2、1、本文首先介绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电容、电感参数的计算方法，并进行了计算。2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。其中闭环方式又分为PID控制和fuzzy控制。本文分别针对开环、PID控制，fuzzy控制建立正激变换器的Matlab仿真模型，并进行仿真分析了，最后对得出的结果进行比较。第二章：正激电路的参数计算本章首先给出正激变换器的等值电路图，然后列出了正激变换器的四个主要参数的计算方法，并进行了计算。1、正激变换器的等值电路图图1正激变换器等值电路图2、参数计算(1)变比n根据设计要求，取占空比D=0.4,根据输入电压和输出电压之间的关系得到变比：n=Uin

3、UoutD=1000.4=3.312(2)最大、最小占空比最大占空比Dmax定义为D_UoutUdmax1)Uinmin-式中Un(min)=100-20=80V,Uut=12V,n=3.3,Ud为整流二极管压降,所以Dmax=0.495。最小占空比din定义为UoutUd式中所以(3)Dmin=uzryUin(max)=120V,din=0.333。电容电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。取开关频率f=200KHZ,贝UT=5X10-6s,根据公式：1一I.rippleC=-8,fVripple式中取Iripple=0.2AVVripple=0.07mV,所以C=1.79fFo为稳

4、定纹波电压，放大电容至50fF。(4)电感可使用下列方程组计算电感值：diUOut=LX,dt1 -Ddt=胆，式中UOut=12V,di取为0.2A,Dnin=0.333,所以L=0.334mH第三章正激变换器开环的Matlab仿真本章首先建立了正激变换器开环下的Matlab仿真模型，然后对其进行了仿真分析。1、仿真模型的建立根据之前的等值电路图和参数的计算结果，可以对正激电路进行建模，其开环模型如图2:CurrentMea1J?Ri-ITcI图2正激电路的开环仿真模型2、仿真结果在Matlab上进行仿真，得到如下的输出电压，及其纹波，输出电流及其纹波的波形：图3开环电压波形图6开环纹波电流

5、从图中可以看出，开环占空比为40%时输出电压不能达到12V,只能稳定在11.98V左右，纹波电压为1mV输出电流是0.998A,纹波电流不到0.1mA。虽然纹波电压符合要求，但输出电压值和电流值不符合要求，且电压有较大超调。分析其原因，可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。需要调大占空比才能稳定到12V。且开环系统有较弱的抗干扰性，不够稳定，因此应采用闭环。第四章正激变换器闭环PID的Matlab仿真本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求，然后对开环系统绘制了伯德图，接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加PID环节的三个主要参数，进行闭环系统的Matlab仿真，得到经过

6、两次切载后的输出电压波形和输出电流波形，并进行了分析。1、闭环稳定的条件：(1)开环Bode图的幅频特性曲线中增益为1的穿越频率应等于开关角频率的1/51/10。(2)幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。(3)相位裕量丫>45°。2、开环传递函数：查阅资料得到未补偿的开环传递函数为:1sL30.3代入数据，得到G0(S)=1 (RsC1)R_82Z5o1.6710s22.78310s13、未补偿的开环传函的Bode图EaM-CuorwnGrw>hrdSMHz：i,Pm-d”QL.酹Hi；>加1g。9号务3图7开环传递函数伯德图从图中可以看出，穿越频率为6.89

7、103Hz，小于要求的最小开关频率1而X200K=20000Hz;且以-40dB穿越横轴，相位裕度仅为1。三项指标都不符合。因此必须加入补偿环节。4、补偿函数的确定首先确定补偿后系统的剪切频率fci=1x200K=2.5X104Hz,coci=2Ttfci8=1.57X105rad/s。在f=2.5X104Hz处,原伯德图的增益为-22.6dB,相角为-179°。取相位裕度为50°,则需补偿49°。新补偿的函数可分为PD和PI两部分(1) PD环节设PD环节的传递函数为G1=Kp(1+ps),作出其伯德图，得到以下比例关系：c1tan490所以r=7.33X10-

8、6o又20lgKp，1+1切:=22.6,所以Kp=8.848o得到G1=8.848(1+7.33乂10-6s)(2) PI环节取PI环节传函为G2=s+1000。s(3) 补偿传函G3一一一_52一_一_6.485610s8.848s8848G3=G1G2=os即Kp=8.848,Ki=8848,K尸6.5e-5。5、补偿后系统的新开环传函Gn2ccco1.9651410s268.0944s268094.4Gn=GG3=-83o其伯德图如下:1.6710s2.78310ssBeu±DribgrftH口m*r,Pffi-JI9.3dea(MH2：»KnequLKy«

9、;；Hz/图8补偿后系统伯德图从图中可以看出，此时系统的幅频特性曲线以-20dB穿越横轴，且剪切频率为2.49X104Hz,相位未谷度为49°,完全符合工程要求。6、闭环PID控制的Matlab仿真模型用Mosfet1和2控制切载过程。用Timer和Timer1控制切载情况，在t=0.02s处负载由12Q切到24Q,在t=0.03s处负载由24Q切到120Q,在0.05s处由120。切到24Q。输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较，在交点处控制Mosfet通断，从而乃叫占空明。Tun=rMosFetlTimm】aniPC同!EUSauceJrwarTransform

10、s-|Diode*RIUhprnHosfetKWTI；/C啊iff-pr-图9闭环PID控制电路图7、闭环PID仿真结果在Matlab上进行仿真，得到如下的电压波形：图10初始PID参数下的输出电压波形通过此图可以看出输出电压超调过大，已超过额定输出电压的1倍。尽管输出电压值、纹波、切载的尖峰都符合要求。此时需要对PID参数进行调整。在这里选取Kp=0.5,Ki=500,Kd=7.3e-5。此时可得到如下电压和电流波形：图11调整PID参数后的输出电压波形图12满载电压纹波波形图图13切载后第一个尖峰图14切载后第二个尖峰11.9995-11.9993511.9995基本相等，=11.9995

11、11000.1521从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在12V,且无超调。满载输出平均电压约为11.9995V,满载时电压纹波最大，约为0.7mA。切载时的电压尖峰也低于200mV。半载输出平均电压为11.99935V,所以负载调整率为X100%=0.00125%<1%0满载，半载，1/10载的电流纹波均不到1mA。变压器原边电流为0.1521A,所以效率4乂100%=78.9%。均符合要求。8、补偿后系统的伯德图图17PID补偿后系统的伯德图从图中可以看出，补偿后系统的剪切频率为2.12X104Hz,约为开关频率的0.106倍，并以-20dB穿越横轴，且相位裕度为88°,符

12、合工程要求。第五章正激变换器基于Fuzzy控制的Matlab仿真分析本章针对正激变换器进行了模糊控制。首先进行了模糊化的设计，然后建立了规则库，最后针对其Matlab模型进行了仿真分析。1、模糊化设计对误差e、误差变化率生和控制量U的模糊集和域定义如下:dt(D为-0.5,(2)de模糊集合均为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,e的域为-1,+1,的域dt+0.5。U的域为-1,+1。隶属度函数均选三角函数，input1为e,input2为史，output为U。dt例如，变量de的隶属度函数如下图所示:dt一，人de一，一、图18输入de的隶属度函数dt2、模糊规则的建立(1)模糊规则

13、表如下:ECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB表1(2)Fuzzy控制器规则库如下:3、Matlab仿真分析图19控制器规则库通过开环的输出电压范围）初步确定对于e,Gain1=65）对于de,Gain2=10-5。由采样定理）dt采样频率为开关频率的2倍，即400KHz从而采样时间为2.5X10-6so还要加入限幅模块和零阶保持器模块，然后进行仿真。其仿真模型如下Timer图:ZLIlin-rBrlKtemoTi"PnlKin-sl口广*IkkiALCL口iodflJCurrentfhufeem43-ffl-MFapMiipSfKLMI-OiMeld&一0I5Gf!四团.wpffkBdriK图20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型图21输出电压波形图图24满载及半载电流纹波图251/10载电流纹波从图中可以看出，输出电压基本稳定在12V,在满载时纹波为350mV半载时