电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--55V-22V.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 题目:BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 55V/ 22V课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V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
2、载电流的波形指标要求:1、输入直流电压(VIN):55V,输出电压(VO):22V,输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻:R=2,电感电流脉动:输出电流的10%,开关频率(fs)=60kHz3、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75*F4、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
3、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日目录第一章 电力电子设计目的及设计要求11.1电力电子设计目的11.2电力电子设计要求1第二章 电力电子设计过程22.1 BUCK变换器原理和开关电源应用22.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算32.3 滤波电感L的计算32.4 闭环系统的设计42.4.1 闭环系统结构图42.4.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算52.4.3补偿器的传递函数设计62.5 闭环系统仿真9
4、2.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标92.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图92.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析10第三章 总结11参考文12附录13第一章 电力电子设计目的及设计要求1.1电力电子设计目的此次电力电子课程设计中,有四个目的: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、双零点补偿环节的设计与仿真技术1.2电力电子设计要求本次电力电子课程设计要求中,有七个要求:1. 输入直流电压(Vin):55V
5、2. 输出电压(Vo):22V3. 输出电压纹波峰-峰值:Vpp55mV4. 负载电阻:R=25. 电感电流脉动:输出电流的10%,开关频率(fs)=60kHz6. 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75*F7. 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0.006S15第二章 电力电子设计过程2.1 BUCK变换器原理和开关电源应用此次课程设计主电路如下图所示:Buck变换器主电路从电路可以看出,电感L和
6、电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使Vin的直流分量可以通过,而抑制Vin的谐波分量通过;电容上输出电压 uo(t)就是 Vin 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,它小于相对于电容上输出的直流电压Uo。 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
7、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。 其中BUCK开关电源的应用值得说一说,它的发展方向是高频、高可靠、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此,国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件,特别是该变二次整流器的损耗,并在功率铁氧体(Mn,Zn)材料上
8、加大创新,以提高性能。2.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算 上图中Rc为电容的等效电阻(ESR),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50-80*F。本例中取为75*F。计算出Rc和C的值。(2-1)2.3 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可以计算。S开通:() (2-2)S关断: (2-3) 最终得到 (2 -4)2.4 闭环系统的设计2.4.1 闭环系统结构图整个Buck电路包括为补偿器,为PWM控制器,为开环传递函数和为反馈网络。采样电压与参考电压比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWm控
9、制器的波形的占空比,当占空比发生变化时,输出电压做成相应调整来消除偏差。Gc(s):补偿控制器 Gm(s):锯齿波PWM控制器 Gvd(s):直流变换和控制对象 H(s):采样网络2.4.2 Buck变换器原始回路传递函数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为: (2-5)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,带入传递函数表达式,得到: (2-6) 所用matlab程序:num=0.0001875,2.5 den=3.33465*10-7,1.0105*10-4
10、,1 G0 =tf(num,den) Margin(G0)用matlab绘制伯德图,得到相角裕度28.4度。 由于相角裕度过低,因此需要添加有源超前滞后补偿网络校正。之后才能得到正确适当的相角裕度!加上补偿器是必不可少的! 下图为补偿前伯德图。2.4.3补偿器的传递函数设计补偿器补偿器的传递函数为:(2-7)有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为:, (2-8)极点为:为原点, (2-9)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路波的目的,增益交接频率取:开环传递函数的极点频率为: (2-10)将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率
11、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。先将取值,根据公式可推出: (2-11) 计算过程通过matlab再根据闭环传递函数,绘制伯德图,得到相角裕度。补偿器伯德图为:加入补偿器之后:2.5 闭环系统仿真2.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标所用的参数指标为:1. 输入直流电压(Vin):55V2.输出电压(Vo):22V3.输出电压纹波峰-峰值:Vpp55mV4.负载电阻:R=25.电感电流脉动:输出电流的10%,开关频率(fs)=60kHz6.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
12、容RC的乘积为75*F7.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0.006S2.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图闭环仿真原理图2.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析不含干扰负载含干扰负载 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1.602,下限为1.02,绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001,PWM的载波为60
13、kHz,幅值为22V的锯齿波。第三章 总结经过一个星期的不停书写,计算,程序绘图终于搞定了此次的电力电子课程设计,虽然坐在电脑前不停地弄来弄去很累,但是真的时间过的很快,很充实,一个星期不知不觉就过去了,在之间,我们对BUCK变换器进行了详细的介绍,包括电路分析及原理解释、主电路参数设计、闭环参数的抑制干扰和BUCK电路的闭环仿真。考虑到实际应用和软件修改的方便,设计中补偿电路采用的是PID控制策略。在PID控制中,比例项用于减小系统的超调量,增加系统稳定性。另外,为了提高系统的稳定性和抗干扰能力,选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的极点
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