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

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： ，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。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D<1，所以BUCK电路仅有一路输出，如果输出电压为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=5.818S，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，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，还有的积极查询相关资料并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在此次课程设计中，只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经因为仿真的成功而热情高涨。生活就是这样汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程设计，可是平心而论，那也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服那些专门搞电路设计的技术前辈们，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！ 通过这次课程设计，我想说，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但是苦中仍有乐，和小组的其他成员一起探讨的日子里，我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐就