电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究80V60V.docx

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- 80V/60V2016年6月目录一、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4二、目的5三、设计要求5四、设计步骤6（一）主电路参数设计6（二）滤波电感L的计算6（三）闭环系统的设计6五、总结和心得10六、参考文献10七、附录11一、课题背景1.1 BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律BUCK变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻(ESR)。图1-1 BUCK电路基本结构图 在上图所示电路中，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的直流分量可以通过，而抑制的谐波分量通过；电容上输出电压就是的直流分量再附加微小纹波。由于电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小，相对于电容上输出的直流电压V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个，宏观上可以看作是恒定电流，这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。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（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DCDC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。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)：80V输出电压(VO)：60V输出电流(IN)：10A输出电压纹波(Vrr)：50mV5、开关频率(fs)：100kHz6、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0.0125，占空比2%，相位延迟0.0065s。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4-1 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， （式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。C=1500（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S导通: +(式1-2)S关断: (式1-3)，再利用 ，可得TON=15.154S，将此值回代式(2)，可得L=294H（三）闭环系统的设计1、闭环系统结构框图图4-2 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图4-2 闭环系统结构框图器校正后来调节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：图4-3 BUCK变换器系统框图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： 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=80V,C=1500uF,Rc=0.05欧，L=294uH，R=3欧代入传函表达式，得到：用matlab绘制波德图，得到相角裕度2.28度。所用matlab程序：见附录1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2补偿器的传递函数为：图4-4 有源超前-滞后补偿网络 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3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(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）图4-5 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(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。(3) 设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。(4) 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2%，相位延迟0.006S。波形图：见附录4五、总结和心得回顾此次BUCK开关电源闭环控制的仿真研究课程设计的一个星期，我感慨很多。从理论到时践，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。通过这次课设，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。感谢韩霞老师耐心的教导，一点也不马虎。让我们受益良多。正是老师的认真负责才让我们在一周呢学到更多的知识和实用技能。同时能够顺利地做完课程设计还要感谢同组成员的帮助。六、参考文献1 陆治国.电源的计算机仿真技术.科学出版社.TM91/222 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.TM1-33/103 杜飞.电力电子应用技术的MATLAB实践.中国电力出版社.TM769/54 黄忠霖.电力电子技术的MATLAB实践.国防工业出版社.TM1/334 5徐徳洪.电力电子系统建模及控制.机械工业出版社.TM1/3066张卫平.开关变换器的建模与控制.中国电力出版社.TN624/6七、附录附录1：num=0.003, 4;den=1.323, 0.000294, 3;G0=tf(num,den)Margin(G0) 附录2：附录3：clc;clear;Vg=80;L=294*10-3;C=1500*10-6;fs=100*103;R=47;Vm=50;H=5/6;G0=tf(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*103;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fp2*R3);C2=1/(2*pi