BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V10V

1、率州工室的CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称：电力电子BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/ 10V济州工学除电力电子课程设计任务书二级学院（直属学部）：电子信息与电气工程学院专业：电气工程及其自动化 班级:所属组号2#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/10V1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，设计双极点-双零点补偿网络2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输

2、出电压和负载电流的波形。4、撰写课程设计说明书，要求包括：一、封面二、任务书课 题 工 作 内 容三、目录四、正文1、BUCK电路基本原理2、主电路参数设计设计内容及要求、主电路设计（占空比、滤波电感、滤波电容的设计）3、BUCK开关电源方案设计闭环系统框图，各模块设计方法（包括双极点双零点补偿网络的设计）4、仿真（开环和闭环仿真）仿真参数及过程描述、仿真模型图、仿真波形及仿真结果分析，含负载扰动情况下的仿真波形5、总结（含心得体会）6、参考文献（不少于 6篇）1、 输入直流电压（Vin） : 20V2、 输出电压（Vo） : 10V3、负载电阻：R 24、输出电压纹波峰-峰值 Vpp <

3、;50mV ,电感电流脉动：输出电流的 10%5、开关频率（fs）: 100kHz6、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、采用压才开关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 。阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法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 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型 仿真调试，记录要求测量波形 撰写课程设计说明书电

4、力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社2、开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社3、4、电力电子课程设计指导书 本院编;5、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社电力电子应用技术的 MATLAB仿真林飞，中国电力出版社，2009地点秋 A404起止日期目录一、课题背景11、buck 电路的工作原理 1.二、课题设计要求 2.三、课题设计方案3.1、系统的组成 3.2、主电路部分的设计 3.3、闭环系统的设计 4.4、闭环系统的仿真 9.四、总结及心得体会 1.5五、参考文献17附录1.8、课题背景1、buck电路的工作原理Buck电路是由一个Mosfet S与负载串联构成的

5、，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1 ,VinDRt其中RC为电容的等效电阻（ESR）图1.1 buck变换器主电路图由驱动信号周期地控制 mosfet S的导通与截止，通过改变驱动信号的占空比D,来改变输出电压Uo。当电路中上管导通时，源极电压等于输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs ,IC不能直接驱动，IC内部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱 动上管。根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程：当开关管导通时：VinVo 乂V°n L/（）当开关管关断时：VOVLVDL iL/TOFF（1-2）2.BUCK开关电源的应用自从20世纪70年代，用高

6、频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：功率半导体开关器件用功率场效应晶体管 （MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）取代了 70年代使用的普通功率晶体管；高频化PWM与PFM控制技术的应用和软开关技术的应用；开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子

7、设备的电源等，都要使用高频开关电源。这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几瓦。通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数千瓦至数百千瓦。工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。上述的开关电源最终的供电对象基本都是电子电路，电压多为3.3V, 5V,12V等。除了这些应用之外，开关电源还可以用于蓄电池充电，电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十至几百千瓦。在X光机、微波发射器、雷达等设备中，大量使用的 是高压、小电流输出的开关电源。二、课题设计要求1、输

8、入直流电压(Vin) : 20V2、输出电压(Vo) : 10V3、负载电阻：R 24、输出电压纹波峰-峰值 Vpp <50mV ，电感电流脉动：输出电流的 10%5、开关频率(fs): 100kHz6、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0.006S、课题设计方案1、系统的组成1.1闭环系统结构框图输入电压DC传递函数门极驱动图3.1.

9、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。(2)系统传函框图2、主电路部分的设计2.1 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3.2.1所示，其中Rc为电容的等效电阻(ESR)。vm)I T I输出纹波电压只与电容的容量以及ESRt关，V VRC ,、iL 0.2IN 式(3-1)电解电容生产厂商很少给出 ESR,但C与Rc的乘积趋于

10、常数，约为5080 QF。本例中取为 75 aQ*F,由式(3-1)可得 Rc=100m Q, C=750 旷。2.2 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分别如式(3-2)、(3-3)所示Vin Vo 乂 V°nL /小式(3-2)Vo Vl VdL iL /Toff式(3-3)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 ,)=02 n。利用小 Toff ”,可得Ton=5.3面，将此值回代式(3-2),可得 L=99.64 出，取L=100 H3、闭环系统的设计3.1 BUCK变换器原始回路传函Go(s)

11、的计算1VIN 1 sCRCGo(s) Gm(s)?H(s)?Gvd(s) ?H(s)?i Vm1 s- s2LCR其中Gm(s)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。VrafR、，H(s)为米样网络传递函数，H(s) ,Rx, Ry为输出端反馈电压的分压电阻，UoRx RyGvd(s)为开环传递函数将 Vm=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100m Q , L=100uH,R=2欧代入传函表达式，得到:Go(S)0.00015s 27.5*10 8S2 5*10 5S 1式(3-1 )用matlab绘制波德图，得到相角裕度34.6

12、度。num=0.00015 , 2den=7.5*10A-8, 5*10A-5,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Bude DiagramGm - Inf Pf = J4.B d叩 fat 如旬吧 rad/sec.； 4D(9P)昭 pttiilbbs. .-WIAF二一10CFrequency (ratsec)由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3.2双极点双零点补偿控制器的设计有源超前-滞后补偿网络电路如图3.2.1所示图3.2.1有源超前一滞后补偿网络电路补偿器的传递函数为:GC(S)-Cl+sRaCIl + sCRx + RjKjsRifCt + Q)

13、 1 + Sci +QC1+sR3C3)(3-2)有源超前-滞后补偿网络有两个零点.三个极点。零点为:fz12兀 R2C1fz2极点为：fp1为原点,fp22兀 R3C3频率fz1与fp3之间的增益可近似为:AV12 MBR3) C32兀 R1C3fp3R2fP2 f p3在频率与之间的增益则可近似为:AV212 兀 R2CCC1C2R2(R1 R3)R1 R3R2R3fs5 ( fs开关频率)GC (S)两个零点的频率设计为开环、+ fg考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取.1开环传递函数GO(S)的极点频率为p1.p22兀JLC，将1传函Go(S)两个相近极点频率的2fzlfz2

14、f pl.p 2将补偿网络Gc(S) 两个极点设为fp2 fp3 fs以减小输出的高频开关纹波。AV1；Gc（j2冗 fg）常fgR1AV2 MGjfg） RfgR3先将R2取10k Q ,然后根据公式可推算出R1、 R3、 C1、 C2、 C3 的值进而可得到Gc(S) 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，程序见附录。根据闭环传函，绘制波德图，如图3.2.2 ,图 3.2.30Bede D旧h£e1?ifF-equsnzy (rad/see)10*id图3.2.2补偿器的传递函数Gc (s)伯德图百心白

15、DiigrirrGm - Inf dB al Ini rad/Mc) s ftn - 0>.Bdeg (at&.fi rarti/iac)卜”ecu的cy .r&a/ifrc；图3.2.3闭环传递函数G (s)伯德图得到相角裕度90.6。，符合要求。进过计算最终可得：R1=3.7942*10A6QR3=1.1025*10A4QC1=5.472*10A-8 FC2=1.5962*10A-10 FC3=1.4436*10G-10SF进而可得到式(3-3 )3.009* 10-7S2 0.001097S 15.279*10 13S3 6.634*10 7S2 0.2084S根据

16、Gc(S)确定Kpki,kd的值。G(S)Go(S)Gc(S)依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数:G(S)4.513*10 11S3 7.663*10 7S2 0.002344s 2式(3-4 )3.96*10 20S5 4.978*10 14S4 1.567*10 8S3 1.108*10 5S2 0.2084S4、闭环系统的仿真用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图如图4.1EZar«ucwECcvi L-xk-ThDC 四kii* Mh»5-n lKg岫1个二C73EuTr0*9I' - C=o图4.4 BUCK电路闭环仿真电

17、压波形图4.1 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图4.1 不加任何干扰时闭环系统的仿真(1)对闭环系统进行仿真(不含干扰负载)，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0.0001 ,积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.488 ,下限为1.480,绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001 , PWM 的载波为 70kHz ,幅值为 3.66V 的锯齿波。(2)设置仿真时间为0.05s ,采用ode23算法，设变步长1e-7 。图4.2

18、BUCK电路闭环仿真电流波形图4.3 BUCK电路闭环仿真电流的局部放大波形不加干扰时BUCK电路闭环仿真电压及其局部放大波形如图 4.4和图4.5所示:图4.5 BUCK电路闭环仿真电压的局部放大波形如上述图4.2-图4.5所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V,最大值为10.035V ,最小值为9.975V ,峰-峰值为0.005V ,符合要求；输出电流稳定后为5A ,最大值为5.018A ,最小值为4.988AA ,峰-峰值为0.03A ,符合要求。4.2 加干扰时闭环系统的仿真系统在突加、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

19、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 。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如图4.6所示:其中电流局部放大图如图4.7所示:图4.7 BUCK电路闭环仿真电流局部放大波形电压局部放大图如图4.8所示:图4.8 BUCK电路闭环仿真电压局部放大波形如上述图4.6至图4.8所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V ,每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为10.002V ,最小值为9.998V,峰-峰值为0.004V ,符合要求；输出电流稳定后为8A ,每隔

20、0.012s出现扰动， 扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为 8.002A ,最小值为7.998A ,峰-峰值为0.004A ,符合要求。四、总结及心得体会这次电力电子的课程设计是以Buck开关电源为研究对象，学做了一个有关BUCK开关电源电压型双极点双零点补偿器控制的仿真研究。本次课程设计是针对BUCK降压斩波器，包括电路的原理分析，buck 电路的主电路参数设计，buck 电路的闭环设计及buck 电路的闭环仿真。通过闭环仿真，可以看到闭环控制的稳压及抑制干扰作用。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、 开关变换器的建模知识；对PID控制在Buck变换

21、器的应用上有了较好的认识；熟练运用Matlab 的仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有双极点、双零点补偿的PID 控制器，增设的两个零点补偿由于Buck 变换器的双极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。仿真时先对不加任何干扰时BUCK调节各种元器件的参数使得最后的仿真波形与预期的一样，之后进行系统在突加、突卸80% 额定负载时的仿真，这时系统将得到一个波动的干扰影响输出电压电流，得 到的波形也是有个稳定周期地扰动的。本次课程设计是对本学期学习的一个检验，把理论的运用到应用中。实验过程中遇到难点，通过查资料丰富了自己的知识，本次实验学会了使用Matlab 仿真软件，全英文的软件，感受到英语不好的忧伤，不过matlab 是很强大的，通过它检测了闭环系统的稳定性，感受到了成功的喜悦。一周的课程设计虽然冲忙，但也学到的很多课堂上学不到的知识，实践出真理，既巩固了之前所学的知识，也锻炼了自身的动手能力，还学到了不少新的知识，一举三得。五、参考文献