正激变换器及其控制电路的设计及仿真

1、正激变换器及其控制电路的设计及仿真正激变换器及其控制电路的设计及仿真设计要求：1、输入电压： 100V（ 20）；2、输出电压： 12V ；3、输出电流： 1A ；4、电压纹波：78；6、负载调整率： 1；7、 满载 到半 载,十 分之 一载 到半 载 纹 波 200mV。第一章 绪论1. 课题研究意义 ：对于大部分 DC/DC变换器电路结构，其共同特点是输入和输出之间存在直 接电连接，然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离，这时就可以在 基本 DC/DC变换电路中加入变压器，从而得到输入输出之间电隔离的DC/DC变换器。而正激变化器就实现了这种功能。2. 课题研究内容 ：1、本文首先介

2、绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电 容、电感参数的计算方法，并进行了计算。2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。其中闭环方式又分为PID 控制和 fuzzy 控制。本文分别针对开环、 PID 控制， fuzzy 控制建立正激变换器的 Matlab 仿真模型，并进行仿真分析了，最后对得出的结果进行比较。第二章：正激电路的参数计算本章首先给出正激变换器的等值电路图，然后列出了正激变换器的四个主 要参数的计算方法，并进行了计算。1、正激变换器的等值电路图图1 正激变换器等值电路图2、参数计算（ 1）变比 n根据设计要求， 取占空比 D=0.4，根据输入电压和输出电压之间的关系得

3、到 变比：n= Uin D =100 0.4=3.3U out 122） 最大、最小占空比最大占空比 Dmax 定义为Dmax =U out U d ，1U in min n式中 Uin(min) =100-20=80V，Uout =12V，n=3.3，Ud 为整流二极管压降， 所以 Dmax =0.495 。最小占空比 Dmin 定义为DUout U dmin = 1U in max n式中所以Uin(max) =120V，Dmin =0.333 。3)电容电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。 取开关频率 f=200KHZ， 则 T=5 10- 6 s ，根据公式：1Iripple

4、C=8 ，f Vripple式中取 I ripple =0.2A ， Vripple =0.07mV，所以 C=1.79F。为稳定纹波电压，放大电容至 50 F。 ( 4) 电感可使用下列方程组计算电感值：Uout =L ， dt1Ddt= 1 Dmin ，f式中 Uout =12V，di 取为 0.2A， Dmin =0.333, 所以 L=0.334mH。第三章 正激变换器开环的 Matlab 仿真 本章首先建立了正激变换器开环下的 Matlab 仿真模型，然后对其进行了仿 真分析。1、仿真模型的建立 根据之前的等值电路图和参数的计算结果，可以对正激电路进行建模，其 开环模型如图 2：图

5、2 正激电路的开环仿真模型2、仿真结果在 Matlab 上进行仿真，得到如下的输出电 压,及其纹波，输出电流及其纹波的波形：图 3 开环电压波形图5 开环电流波形图 6 开环纹波电流从图中可以看出， 开环占空比为 40时输出电压不能达到 12V，只能稳定在11.98V 左右，纹波电压为 1mV，输出电流是 0.998A，纹波电流不到 0.1mA。虽 然纹波电压符合要求，但输出电压值和电流值不符合要求，且电压有较大超调。分析其原因，可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。需要调 大占空比才能稳定到 12V。且开环系统有较弱的抗干扰性，不够稳定，因此应采 用闭环。第四章 正激变换器闭环

6、PID的 Matlab 仿真 本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求， 然后对开环系统绘制 了伯德图，接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加 PID 环节的三个主 要参数，进行闭环系统的 Matlab 仿真，得到经过两次切载后的输出电压波形和 输出电流波形，并进行了分析。1、闭环稳定的条件：(1)开环 Bode 图的幅频特性曲线中增益为 1 的穿越频率应等于开关角频率的 1/51/10 。( 2)幅频特性曲线应以 -20dB 的斜率穿越横轴。( 3)相位裕量 45。2、开环传递函数：查阅资料得到未补偿的开环传递函数为：G0 (S)=Uni 1 sL(1RsC 1) ,1 (RsC

7、1)R代入数据，得到G0 (S)=30.31.67 10 8s2 2.783 10 5 s 13、未补偿的开环传函的 Bode 图图 7 开环传递函数伯德图从图中可以看出，穿越频率为 6.89 103 Hz，小于要求的最小开关频率10200K =20000Hz，且以 -40dB 穿越横轴，相位裕度仅为1。三项指标都不符合。因此必须加入补偿环节4、补偿函数的确定14 首先确定补偿后系统的剪切频率fc1 =1 200K =2.5 104 Hz， c1 =2f c185=1.57 105 rad/s 。在 f=2.5 104 Hz 处，原伯德图的增益为 -22.6dB ，相角为-179 。取相位 裕

8、度为 50，则需补偿 49。新补偿的函数可分为 PD和 PI 两部分 （1）PD环节设 PD环节的传递函数为 G1=Kp（1+ s），作出其伯德图，得到以下比例关 系：c1tan 4901所以=7.3310-6又 20lgKp 1 2 c12 =22.6 ，所以 Kp=8.848。得到 G1=8.848（1+7.33 10-6s）2） PI 环节取 PI 环节传函为 G2=s 1000 。 s 3）补偿传函 G3526.4856 10 5 s2 8.848s 8848 G3=G1 G2=s即 Kp=8.848, Ki=8848, K D=6.5e-5 。5、补偿后系统的新开环传函 Gn32Gn

9、=G0 G3=其伯德图如下：1.96514 10 3 s2 268.0944s 268094.41.67 10 8s3 2.783 10 5 s2 s图 8 补偿后系统伯德图从图中可以看出， 此时系统的幅频特性曲线以 -20dB 穿越横轴， 且剪切频率 为 2.49 104 Hz，相位裕度为 49，完全符合工程要求。6、闭环 PID 控制的 Matlab 仿真模型用 Mosfet 1 和 2 控制切载过程。用 Timer 和 Timer1 控制切载情况，在t=0.02s 处负载由 12切到 24，在 t=0.03s 处负载由 24切到 120，在 0.05s处由 120 切到 24。输出电压值

10、与 12V比较后进入 PID，再与三角载波形比较，在交点处控制Mosfet 通断 ，从而控制占空比图 9 闭环 PID 控制电路图7、闭环 PID 仿真结果在 Matlab 上进行仿真，得到如下的电压波形：通过此图可以看出输出电压超调过大， 已超过额定输出电压的 1 倍。尽管输 出电压值、纹波、切载的尖峰都符合要求。此时需要对 PID 参数进行调整。在 这里选取 Kp=0.5，Ki=500，KD =7.3e-5 。此时可得到如下电压和电流波形：图 11 调整 PID 参数后的输出电压波形图 13 切载后第一个尖峰图 14 切载后第二个尖峰从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在 12V，且无超调

11、。满载输出平均 电压约为 11.9995V, 满载时电压纹波最大，约为 0.7mA。切载时的电压尖峰也 低 于 200mV。 半 载 输 出 平 均 电 压 为 11.99935V ， 所 以 负 载 调 整 率 为11.9995 11.9993511.9995 11.99935 100=0.00125 1。满载，半载， 1/10 载的电流纹波11.9995基 本 相 等 ， 均 不 到 1mA。变 压 器 原 边 电 流 为 0.1521A, 所 以 效 率 = 11.9995 1=100 0.1521100=78.9 。均符合要求。8、补偿后系统的伯德图图 17 PID 补偿后系统的伯德图

12、 从图中可以看出，补偿后系统的剪切频率为2.12 104Hz，约为开关频率的 0.106 倍，并以 -20dB 穿越横轴，且相位裕度为 88 ，符合工程要求。第五章 正激变换器基于 Fuzzy 控制的 Matlab仿真分析本章针对正激变换器进行了模糊控制。首先进行了模糊化的设计，然后建 立了规则库，最后针对其 Matlab 模型进行了仿真分析。1、模糊化设计对误差 e、误差变化率 de 和控制量 U的模糊集和域定义如下：dt1）为 -0.5 ，（2）de 模糊集合均为 NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB，e的域为-1 ，+1， 的域 dt+0.5 。U的域为 -1 ，+1。 de隶属度函

13、数均选三角函数， input1 为 e，input2 为 de ，output 为 U。 dt例如，变量 ddet 的隶属度函数如下图所示：de图 18 输入 de 的隶属度函数dt2、模糊规则的建立1)模糊规则表如下：EECECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB表1(2)Fuzzy 控制器规则库如下：3、Matlab 仿真分析图 19 控制器规则库通过开环的输出电压范围， 初步确定对于 e，Gain1=65，对于 de ，Gain2=10-5 。由采样定理，dt采样频率 为开关频率的 2 倍，即 400KHz，从而 采样时间为 2.5 10-6 s。还要加入限幅模块和零阶保持器模块， 然后进行仿真。 其仿真模型如下 图：图 20 基于 Fuzzy 控制的 Matlab 仿真模型图 21 输出电压波形图图 24 满载及半载电流纹波图 25 1/10 载电流纹波从图中可以看出，输出电压基本稳定在 12V，在满载时纹波为 350mV；半载 时纹波为 170mV； 1/10 载时纹波为 30mV。两次切载的尖峰电压分别为 300mV和 150mV。