电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--55V25V.docx
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1、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- 55V/25V目录一、课题背景31.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律31.2 BUCK电路的工作原理31.3BUCK电路应用4二、目的5三、设计要求5四、设计步骤5(一)主电路参数设计5(二)滤波电感L的计算6(三)闭环系统的设计61、闭环系统结构框图62、BUCK变换器原始回路传函的计算73、补偿器的传函设计:见附录373、闭环系统仿真8五、总结和心得9六、参考文献10七、附录11附录1:11附录2:11附录3:12附录
2、4:12附录5:14一、课题背景1.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律 电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使 us(t)的直流分量可以通过,而抑制 us(t) 的谐波分量通过;电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 电路工作频率很高,一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小,相对于电容上输出的直流电压Uo有: 电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时,输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看作是恒定直流,这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。一个周期内电容充电电荷
3、高于放电电荷时,电容电压升 高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;反之,如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。开关S置于1位时,电感电流增加,电感储能;而当开关S置于2位时,电感电流减小,电感释能。假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为: ,
4、此增量将产生一个平均感应电势: 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。1.2 BUCK电路的工作原理1.2.1电感电流连续工作模式(CCM)下稳态工作过程分析 图1-2 BUCK电路的等效电路 (1)晶体管导通状态 VD关断,依据等效电路拓扑,由于电路频率很高,一个周期内 和 基本维持不变,可视为固定值, 为常数,电流变化为线性。, 。(2)二极管VD
5、导通模式 晶体管关断,电感续流,二极管导通 ,同样,由于 视为维持不变,则输出电流线性减小。,。1.3BUCK电路应用BUCK电路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
6、电路,可以实现蓄电池的充放电。下面介绍几种应用实例:1.3.1 UC3842电路UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。其应用领域为:开关电源;工业电源;电压反馈电路设计;反激开关电源设计。1.3.2 SG3525电路SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片,它简单可靠及使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,有过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比。
7、它的应用领域是:开关电源;直流变换器;逆变器设计;脉冲宽度调制。1.3.3 TL431电路TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2,在很多应用中用它代替稳压二极管,例如,数字电压表,运放电路,可调压电源,开关电源等。应用领域:电平值转换;充电器;开关电源;适配器;DVD;电视机。1.3.4 BUCK电路的使用注意BUCK电路只有一个电感,没有变压器,输入与输出不能隔离。这就存在一个危险,一旦功率开关损坏电路,输入电压将直接加到负载电路,因为占空比D1,所以BUCK电路仅有一路输出,如果输出电压
8、为5V,还需要3.3V时,则要加后续调节器,BUCK电路在多路输出时是这样应用的。二、目的1. 了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理;2. 掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算;3. 运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真。4. 掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿器环节的设计与仿真技术。三、设计要求输入直流电压(VIN):55V输出电压(VO):25V输出电流(IN):5A输出电压纹波(Vrr):50mV5、开关频率(fs):80kHz6、负载突变为80%的额定负载7、电流脉动峰-峰值:8、二极管的通态压降VD=0.5V,电阻压降VL=0.1V,开
9、关管导通压降VON=0.5V9、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2%,相位延迟0.006s。四、设计步骤(一)主电路参数设计1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算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1-1 Buck变换器主电路图输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关, (1-1)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5080*F。本例中取为75*F。 计算出RC和C的值。(二)滤波电感L的计算开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程,再利用,可得TON=5.81
10、8S,将此值回代式(2),可得L=0.3421mH(三)闭环系统的设计1、闭环系统结构框图整个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。系统传函框图:系统框图如下:见附录12、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: 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
11、反馈电压的分压电阻,为开环传递函数。将Vm=50V,H(S)=5/6,Vin=55V,C=0.75*10(-3)F,Rc=0.1欧,L=0.3421*10(-3)H,R=5欧代入传函表达式,得到:用matlab绘制波德图,得到相角裕度21.1度。所用matlab程序:见附录2由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3、补偿器的传函设计:见附录3补偿器的传递函数为:有源超前滞后补偿网络有两个零点、二个极点。零点为:,极点为:位原点,,频率与之间的增益可近似为:在频率与之间的增益则可近似为:考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取开环传函的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环传
12、函两个相近极点频率的,则.将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。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)=GO(s)Gc(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。参考程序如下:见附录4依据上述方法计算后,Buck变换器闭环传递函数:T(s)=GO(s)Gc(s)=3、闭环系统仿真用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)(2) 对闭环系统进行
13、仿真(不含干扰负载),使参数符合控制要求),并记录波形。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1.5,下限为1.3,绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001,PWM的载波为100kHz,幅值为1.5V的锯齿波。(4) 设置仿真时间为0.04s,采用ode23s算法,可变步长。(5) 系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S2实现负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1
14、,周期为0.012S,占空比为20%,相位延迟0.006S。波形图:见附录5五、总结和心得这次课程设计历时一个星期,通过这一个星期的学习我发现了自己还存在很多不足的地方,例如,自己知识的很多漏洞,看到了自己的实践经验还是比较缺乏的,理论联系实际的能力还有待提高。 在此次课程设计中,我知道了BUCK电路的工作原理,还有滤波电感,滤波电容的计算,开环原始传递函数的计算以及伯德图和相角裕量的分析等等。 这次的课程设计也让我看到了团队的力量,我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候,大家就分配好了各自的任务,有的绘制原理图,有的进行仿真实验
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