电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--20V8V

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- 20V/8V2016年6月指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/8V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)：20V，输出电压(VO)：8V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=0.8，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=80kHz3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1qV，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

2、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、课题背景11.1课题的意义11.2 BUCK电路的工作原理11.3 BUCK开关电源的应用3二、课题设计要求3三、课题设计方案43.1系统的组成43.2主电路部分的设计43.2.1 占空比D的计算43.2.2滤波电容C的计算43.2.3滤波电感L的计算53.3 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计53.3.1 反馈回路的设计53.3.2 闭环回路的设计63.3.3传递函数的分析63.4 BUCK变换器原始回路传函G0(s)的计算73.5 补偿环节的设计8四、BUCK变换器闭环系统的仿真114.1 Buck变换器闭环仿真电路图11

3、4.2 Buck变换器的闭环仿真结果分析14五、总结及心得体会15六、参考文献15七、附录16一、课题背景 1.1课题的意义电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用

4、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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。1.2 BUCK电路的工作原理如图所示中V的栅射电压波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。t=时控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。 (1-1)图1 降压斩波电路的原理图图2 降压斩波电路电流连续和断续波形1.3 BUCK开关电源的应用直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电

5、力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。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、课题设计要求1、输入直流电压(VIN)：20V，输出电压(VO)：8V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV。 2、负载电阻：R=0.8，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=80kHz。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=0.1qV，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*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。三、课题设计方案3.1系统的组成 图3 Buck变换器闭环系统的框图为锯齿波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。补偿控制器场地函数，抑制输出开关纹波的目的。3.2主电路部分的设计 3.2.1

6、 占空比D的计算根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比： （式3-1）3.2.2滤波电容C的计算输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，则 （式3-2）C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。本例要求取为75*F，由式(3-2)可得RC=50m，则C=1.5mF。3.2.3滤波电感L的计算开关管导通与关断状态的基尔霍夫电压方程分别 （式3-3） （式3-4）又因为 （式3-5）根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V，将数据代入（式3-3）和（式3-4）后，由以上三个方程可以解得L=61.275H。3.3 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计3.3.1 反馈回路的设计补偿网络电路如下图所示：图3.1 有源超前滞后补偿网络取输出端反馈电压的分压电阻RX=6k，RY=2k,则3.3.2 闭环回路的设计闭环回路结构框图如下所示：图3.2 闭环回路结构整个BUCK电路包括GC(s)补偿器，Gm(s)PWM控制器，Gvd(s)开环传递函数和H(s)反馈回路。采样

7、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Vo作出相应的调整，来消除偏差。3.3.3传递函数的分析加了补偿器之后的BUCK变换器系统传递函数的框图如下图所示：图3.3 BUCK变换器系统传函框图3.4 BUCK变换器原始回路传函G0(s)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G0(s)为： (式3-1)采样网络传递函数H(s)为：将Vm=Vref=2V,H(s)=0.25,VIN=20V,C=1.5mF,RC=0.05，L=61.275H，R=0.8代入（式3-1）可求得根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）绘制伯德图如下所示：图3.4 开环传递函数的伯德图由上图可知，相角裕度只有35.7度，相角裕度过低，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。3.5 补偿环节的设计根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）算得以下各参数值：补偿器的传递函数为：有源超前滞后补偿网络有两个零点和三个极点。零点为：=262.4840HZ =262.4840HZ极点为：为原点，=80000

8、HZ =80000HZ频率与之间的增益可近似为:=1.0008在频率与之间的增益则可近似为：= 305.0098考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取: （为开关频率）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。BUCK变换器闭环传递函数：根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）算得校正器GC(s)各元件的值如下：取R2=10000 ,算得：R1=1.2491e+004,R3=40.9823,C1=6.0634e-008F,C2=1.9960e-010F,C3=4.8544e-008F。补偿器伯德图为：图3.5 超前滞后校正器的伯德图加入补偿后的伯德图为：图3.6 加入补偿器后系统的伯德图相角裕度到达152度，符合设计要求。四、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1 Buck变换器闭环仿真电路图用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）：图4.1 闭环系统仿真图（不含干扰负载）仿真结果图如下所示：图4.2 闭环系统输出电压和负载电流波形图图4.3 闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（含干扰负载）：图4.4 闭环系统仿真图（含干扰负载）仿真结果图如下所示：图4.5 闭环系统输出电压和负载电流波形图图4.6 闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图4.2 Buck变换器的闭环仿真结果分析从图4.2可以看出输出电压和电流的峰值分别在11V和14A左右，电压和电流的调节时间均在0.006S左右，响应速度很快。从图4.3可以看出输出电压和电流达到稳态时，电压和电流的输出误差在V（或A）左右，输出比较平稳。从图4.5可以看出加入干拢后输出电压和电流峰值分别在11V和14A左右19V和14A左右，电压和电流的调节时间（第一次达到稳态）均在0.01S左右。与之前未加干拢相

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