BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 20V 10V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称: 电力电子 题目: BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 20V/ 10V 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/10V课 题 工 作 内 容1、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

2、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。4、撰写课程设计说明书，要求包括： 一、封面 二、任务书 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）指标（目标）要求1、 输入直流电压(Vin)：20V2、 输出电压(Vo)：10V3、 负载电阻：4、

3、输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV ，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7、 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。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

4、试，记录要求测量波形第5天 撰写课程设计说明书主要参考文献1、 电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、 电力电子应用技术的MATLAB仿真林飞，中国电力出版社，20094、 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，电子工业出版社地点秋A404起止 日期目录一、课题背景1 1、buck电路的工作原理1二、课题设计要求2三、课题设计方案21、系统的组成22、主电路部分的设计33、闭环系统的设计44、闭环系统的仿真8四、总结及心得体会13五、参考文献14附录15一、课题背景 1、buck电路的工作原理 Buc

5、k电路是由一个Mosfet S与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1，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： （1-1） 当开关管关断时： （1-2）2. BUCK开关电源的应用自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调

6、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、便携式电子设备的电源等，都要使用高

7、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、输入直流电压(Vin)：20

8、V 2、输出电压(Vo)：10V 3、负载电阻： 4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV ，电感电流脉动：输出电流的10% 5、开关频率(fs)：100kHz 6、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 7、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1、系统的组成 1.1 闭环系统结构框图 图3.1.1 闭环系统结构框图整个BUCK电路包括:Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM

9、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)。输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， 式（3-1） 电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。本例中取为75*F，由式(3-1)可得RC=100m，C=750F。 2.2 滤波电感L的计算开关管闭合与

10、导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(3-2)、(3-3)所示 式（3-2） 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，=0.2IN。利用，可得TON=5.3S，将此值回代式(3-2)，可得L=99.64H，取L=100H3、闭环系统的设计 3.1 BUCK变换器原始回路传函的计算其中为锯齿波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=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100m，L=100uH，R=2欧代

11、入传函表达式，得到： 式（3-1）用matlab绘制波德图，得到相角裕度34.6度。num=0.00015，2den=7.5*10-8，5*10-5,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)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 有源超前滞后补偿网络电路补偿器的传递函数为：式（3-2）有源超前-滞后补偿网络有两个零点.三个极点。零点为： ，极点为： 为原点， ,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

12、关频率)开环传递函数 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取10k，然后根据公式可推算出R1、R3、C1、C2、C3的值进而可得到依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：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3.2.3 图3.2.2 补偿器的传递函数Gc（s）伯德图图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*106R3=1.1025*104C1=5.472*

13、10-8 FC2=1.5962*10-10 FC3=1.4436*10-10 F进而可得到 式（3-3）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： 式（3-4）4、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4.1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

14、 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。 不加干扰时BUCK电路闭环仿真电流及其局部放大波形如图4.2和图4.3所示：图4.2 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4.4 BUCK电路闭环仿真电压波形图4.5 BUCK电路闭环仿真电压的局部放大波形如上述图4.2

15、-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：图4.6 BUCK电路闭环仿真电流和电压波形其中电流局

16、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

17、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

18、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电路闭环的仿真，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1、电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、开关电源技术教程，张占松，机械工业出版社4、电力电子应用技术的MATLAB仿真林飞，中国电力出版