电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--28V15V.doc

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

课 程 设 计 说 明 书

课程设计名称：电力电子技术
题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 28V/15V

课题名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-28V/15V
课 题 内 容 及 指 标 要 求
课题内容：
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计
2、根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计
3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4、观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形

指标要求：
1、输入直流电压(VIN)：28V，输出电压(VO)：15V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV
2、负载电阻：R=3Ω，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=100kHz
3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75μΩ*F
4、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信
号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S

进程安排
第1天 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法
第2天 根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计
第3天 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型
第4天 仿真调试，记录要求测量波形
第5天 撰写课程设计说明书

起止日期
2016年6月20日-2016年6月24日
2016年6月17日

目 录
一、引言 1
二、课题简介 1
2.1 BUCK变换器PID控制的参数设计 1
2.2 BUCK电路的工作原理 1
2.3 BUCK开关电源的应用 3
三、课题设计要求 3
3.1 课题内容 3
3.2 参数要求 3
四、课题设计方案 4
4.1 系统的组成： 4
4.2 主电路部分的设计 5
4.3 闭环系统的设计 5
4.4 闭环系统仿真 10
五、总结及心得体会 13
六、参考文献 13
七、附录 14

一、引言
随着电力电子技术的快速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压、大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。 IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。
二、课题简介
BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。
2.1 BUCK变换器PID控制的参数设计
PID控制是根据偏差的比例P、积分I、微分D进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID控制的本质是一个二阶线性控制器，其优点：1、技术纯熟；2、易被人们熟悉和掌握；3、不需要建立数学模型；4、控制效果好；5、消除系统稳定误差
2.2 BUCK电路的工作原理
Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。

图1 buck电路主电路图
当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。电路工作时波形图如图2所示：

图2 IGBT导通时的波形
当t=t1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。

图3 IGBT关断时的波形
至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：
（4-1）
其中，ton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比，则U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
2.3 BUCK开关电源的应用
开关电源的三大基础拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost。BUCK开关电源主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。
三、课题设计要求
3.1 课题内容
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计
2、根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计
3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4、观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压负载电流的波形
3.2 参数要求
输入直流电压(VIN)：28V
输出电压(VO)：15V
负载电阻(R)：3Ω
输出电流(IN):5A
输出电压纹波(Vrr)：50mV
开关频率(fs)：100kHz
负载突变为80%的额定负载
电流脉动峰-峰值：
二极管的通态压降VD=0.5V，电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V
四、课题设计方案
4.1 系统的组成：
如图4闭环系统的框图所示

图4 闭环系统的结构框图
整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）开环传递函数和H(S) 反馈网络。采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo做成相应调整来消除偏差。
BUCK系统框图如图5所示
直流变换
控制对象
采样网络
补偿控制器
锯齿波PMW控制器
输入电压Vin
—
+
Vref

图5 BUCK系统框图
各部分的作用为：
直流变换：将输入的交流电转换为直流电。
控制对象：控制实验的对象。
采样网络:采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差。
PWM控制器：控制PWM的波形。
补偿控制器：校正后来调节PWM控制器的波形的占空比。
4.2 主电路部分的设计
① 电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF。本例中取为75μΩ*F。 计算出RC和C的值。
（4-1）
（4-2）
（4-3）
②滤波电感的计算
（4-4）
（4-5）
（4-6）
求得：L=138.2 uH
4.3 闭环系统的设计
4.3.1 闭环系统结构框图
BUCK变换器系统框图如图6所示

图6 BUCK变换器系统框图
4.3.2 BUCK变换器原始回路传函的计算
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GO(s)为：
（4-7）
其中为锯齿波PWM环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值Vm的倒数。为采样网络传递函数，，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。
将Vm=2.5V，H(S)=0.167，=28V，C=0.75mF，Rc=0.1Ω，L=138.2uH，R=3Ω代入传函表达式，得到：
用matlab绘制伯德图，根据程序得到伯德图如图7所示

图7补偿前的伯德图

由上图可知：用matlab绘制伯德图，如图7所示，得到相角裕度29度。由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
4.3.3补偿器的传函设计
有源超前-滞后补偿网络如图8所示

图8有源超前-滞后补偿网络

补偿器的传递函数为： （4-8）
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点
零点为：， (4-9)
极点为：为原点，， (4-10)
频率与之间的增益可近似为： （4-11）
在频率与之间的增益可近似为： （4-12）
考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取： （4-13）
开环传递的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相近极点频率的，则： （4-14）
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关波纹。
（4-15）
（4-16）
先将R2任意取一值，然后根据公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，进而可得到Gc（S）。根据Gc(S) 确定Kp，ki,kd的值。依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：G(s)=。计算过程可通过matlab编程完成。根据闭环传函，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。
程序在附录中，所得各参数值及最终传递函数如下：
R2=10000
R3 =21.6308；
C1 =6.4389e-008；
C3 =7.3578e-008；
C2 =1.5955e-010；
R1 =8.7512e+003；

4.3.4伯德图及相角裕量
补偿后的伯德图如图9所示，相角裕量如图10所示

图9 补偿后的伯德图

图10 补偿后的相角裕量
4.4 闭环系统仿真
(1) 用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（不含干扰负载），如图11所示

图11 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图
（2）闭环系统的仿真结果
对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.195，下限为1.18，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为2.7V的锯齿波。
设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长得到电压、电流波形，并对稳定值局部放大观察纹波电压和脉动电流值。电压、电流波形如图12所示和局部放大图13、图14所示

图12电压、电流波形图（不加干扰）

图13 电流放大图

图14电压放大图
分析：从上图可知，不加任何干扰的稳定后的电压在15V左右，电流在10A左右，局部放大后误差也在上下0.05之间。
（3）加干扰后的控制系统的仿真图如图15所示。

图15电流、电压波形（加干扰）

五、总结及心得体会
经过一周的电力电子课程设计结束了，真的是受益匪浅。课题的名称为BUCK开关电源闭环控制的仿真，让我们更进一步了解BUCK电路的工作原理，如何设计闭环控制系统，用MATLAB进行仿真，对载波（三角波）幅值参数进行调整，让输出的电流跟电压的幅值符合任务的要求，并满足%5的误差之内。在调整的过程中，有失也有得。开始的时候，不管我怎么调节幅值，出来的波形图的幅值都不满足要求；后来经过同学和老师的帮助之下，知道了在调节上下幅值时也要调节载波的幅值。后来出来的波形的图形满足了我们这组的输出要求（输出电流5A，输出电压15V）。在这过程中，让我感受到了之前理论学的不够扎实，动手能力有点差。
通过这次课程设计，不仅让我加深了很多课本上的知识，也锻炼了我们独自思考和动手的能力。我了解到怎样把自己在书本上学习到的知识应用到实际的工作之中，也学到很多待人处事的道理，这将对我以后的工作和学习中将是我的宝贵财富。

六、参考文献
1、电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社
2、开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社
3、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞，中国电力出版社，2009
4、电力电子课程设计指导书 本院编；
5、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社

七、附录
附录1
num=[0.00014,1.87]
den=[1.04*10^-7,4.6*10^-5,1]
G0 =tf(num,den)
Margin(G0)

附录2
clc;
clear;
Vg=28;L=138.2*10^(-6);C=0.75*10^(-3);fs=100*10^3;R=3;Vm=2.5;H=1/6;Rc=0.1;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);
figure(1);
margin(G0);
fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));
fg=(1/5)*fs;
fz1=(1/2)*fp1;
fz2=(1/2)*fp1;
fp2=fs;
fp3=fs;
[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);
marg_G=1/marg_G0;
AV1=fz2/fg*marg_G;
AV2=fp2/fg*marg_G;
R2=10*10^3
R3=R2/AV2
C1=1/(2*pi*fz1*R2)
C3=1/(2*pi*fp2*R3)
C2=1/(2*pi*(fp3-fz1)*R2)
R1=1/(2*pi*fz1*C3)
num=conv([C1*R2,1],[(R1+R3)*C3,1]);
den1=conv([(C1+C2)*R1,0],[R3*C3,1]);
den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2),1]);
Gc=tf(num,den)
figure(2);
bode(Gc);
G=series(Gc,G0)
figure(3);
margin(G)

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