BOOST电路设计与仿真

1、一. Boost主电路设计： 21.1占空比D计算 21.2临界电感L计算 21.3临界电容C计算（取纹波 Vpp<2.2V） 31.4输出电阻阻值 3二. Boost变换器幵环分析 32.1 PSIM 仿真 32.2 Matlab 仿真频域特性 4三. Boost闭环控制设计 53.1闭环控制原理 53.2补偿网络的设计（使用 SISOTO0确定参数） 53.3计算补偿网络的参数 6四. 修正后电路PSIM仿真 7五. 设计体会 8Boost变换器性能指标输入电压：标准直流电压 Vin=48V输出电压：直流电压 Vo=220V参考电压 Vref=5V输出功率：Pout=5Kw输出电压纹

2、波：Vpp=2.2V Vm=4V电流纹波：0.25A幵关频率：fs=100kHz相位裕度：60幅值裕度：10dB一. Boost 主电路设计:1.1占空比D计算根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围?- ?=0.7821.2临界电感L计算Lc =?7?(1- ?)2 _2?=1.8?选取L>Lc，在此选L=4uH1.3临界电容C计算(取纹波 Vpp<2.2V)?_?227X0.782100000X2.2=80.6?选取C>Cc在此选 C=100uF1.4输出电阻阻值? ? X ?R=刃=9.68Boost主电路传递函数 Gvd (s)占空比d( t)

3、到输出电压 Vo (t )的传递函数为:?(1- ?)?(1-2 )(1- D) ?(?) ="2? 2?，+?(爲)+(1- ?)2?(?)=47.96(1- 8.7X10- 6?)4X10- 10?2+4.13x10' 7?+ 0048二. Boost变换器幵环分析2.1 PSIM 仿真电压仿真波形如下图 电压稳定时间大约1.5毫秒，稳定在220V左右电压稳定后的纹波如下图电流仿真波形如下图 电流稳定时间大约2毫秒，稳定在22A左右电流稳定后的纹波如下图2.2 Matlab 仿真频域特性? ? ? ?设定参考电压为5V,则？?(？?)二济?二而? ,?(?) = ?= ?

4、系统的幵环传递函数为?(?) = ?(?) ?(?) ?(?) ?(?),其中 ?(?) = ?，?(?) = ?由上图可得，Gvd(s)的低频增益为-60dB，截止频率fc=196KHz，相位裕度-84.4，相位裕度过小，高频段是-20dB/dec。系统不稳定，需要加控制电路调整。1、幵环传递函数在低频段的增益较小，会导致较大的稳态误差2、中频段的剪切频率较小会影响系统的响应速度，使调节时间较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。3、相角裕度太小会影响系统的稳定性，使单位阶跃响应的超调量较大。4、高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。? ? ? ?将?(?) = ?=话，?(?) =

5、? =:?代到未加补偿器的幵环传递函数中。则?(?) = ?(?)?(?)?(?)?(?),其中？?(？?)= ?未加补偿器的幵环传递函数如图三. Boost 闭环控制设计3.1闭环控制原理输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出经过一定的补偿后与PWM调制后控制幵关管 Q的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和 负载扰动的能力。令PW啲载波幅值等于 4,则幵环传递函数为 F(s)二Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2补偿网络的设计(使用 SISOTOO确定参数)原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。改进的思路是在远低于穿 越频率fc处，给补偿网络增加一个零点f

6、Z,幵环传递函数就会产生足够的超前相移，保证系统有足够的裕量；在大于零点频率的附近增加一个极点fP，并且为了克服稳态误差大的缺点，可以加入倒置零点fL ,为此可以采用如图4所示的PID补偿网络。根据电路写出的PID补偿网络的传递函数为:?(?)=? ?八?'?(?+ )?式中:?=? ?，? ，? ，?+?'？?？?？' ？?？?？'? ?+ ?在此我们通过使用 Matlab中SISOTOO工具来设计调节器参数，可得:零点频率? ?. ?倒置零点频率? = ?直流增益? = ? ?首先确定PID调节器的参数，按设计要求拖动添加零点与极点，所得参数如图加入PID之

7、后，低频段的增益抬高，稳态误差减小，如图闭环阶跃响应曲线如下图 幅值裕度为：GM=6.81dB相角裕度：PM=49.6°，截止频率：fc=10KHz高频段f>fp，补偿后的系统回路增益在fc处提升至0dB,且以-40dB/dec的斜率下降，能够有效地抑制高频干扰。3.3计算补偿网络的参数由sisotool得到补偿网络的传递函数为：z 、(1+0.0001s)(1+0.00027s)G(s) = 2784.7 Xs(1 + 2 X10- 7s)由前面可有补偿网络的传递函数为: 依据前面的方法计算后，选用 Rz=270， Rp=0.2 ， Rf=75.24 ， Cf=1.33uF

8、。(? +?(?)?)?(?+鬲)四. 修正后电路PSIM仿真（ 1 ）额定输入电压，额定负载下的仿真电压响应如下图电压稳定时间大约为2毫秒，稳定值为220V,超调量有所减少，峰值电压减小到了 260V.稳定后的电压纹波如下图（电压纹波大约为2.2V）电流纹波如下（电流纹波大约为0.07A ）验证扰动 psim 图（ 2）额定输入电压下，负载阶跃变化0-3KW-5KW-3KW电压响应曲线如下图电压调节时间大约1ms纹波不变大约为 2.2V。由此可见，输出电压对负载变化的 反应速度很快且输出电压稳定。电流响应曲线如下图（3）负载不变（3KW，输入电压阶跃变化 48-36V输入电压从48V变到36V时的电压响应如下图 输出电压的局部放大图像如下图由上图可知，输出电