基于PD控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究

1、基于PD控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化 班级：1 引言开关电源技术属于电力电子技术的范畴，是集电力变换、现代电子、自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，现今已广泛应用到工业、能源、交通、信息、航空、国防、教育、文化等领域。开关电源技术的发展实际上是围绕着提高效率、提高性能、小型轻量化、安全可靠、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声的轨迹进行不懈研究，开关电源是整个电源技术中至关重要的部分，其中Buck变换器补偿网络设计最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源

2、小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，开关电源比普通线性电源体积小,轻便化，更便于携带。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。MATLAB软件是一个适用于科学计算和工程应用的数学软件系统，历尽20多年的发展，现已是IEEE组织认可的最优化的科技应用软件。该软件有以下特点：数值运算功能强大；编程环境简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。本文将针对基于PD控制方式的6A开关电源的MATLAB的仿真研究做出了应用举例。2.基于PD控制方式的Buck电路的综合设计2.1技术指标输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5

3、V；输出电流(IN)：6A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz. 滞环控制为PFM方式，不受此限制2.2 Buck主电路设计主电路如图1：图1 Buck主电路2.3 Buck主电路各参数设计（1）滤波电容参数计算出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关：通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可知：可得：（2）滤波电感参数计算根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程:假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻可知：可得：2.4 采

4、用参数扫描法，对所设计的主电路进行MATLAB仿真当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图2 电感波形图3 输出电压波形3 补偿网络设计3.1 原始回路增益函数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：假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，由此可得采样网络传递函数为： 可得：解得：极点频率：零点转折频率：使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图程序如下：num=conv(2,7.5e-5 1);den=3.78e-8 2.53e-5 1;g=tf(num,den);margin(g);图4 原始回路增益函数伯德图相位裕度：41.3°穿越频率：1.52e3Hz根据要求相位裕

5、度应达到50°-55°穿越频率提升到（即10kHz-20kHz）均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。3.2 PD补偿网络设计PD补偿网络的传递函数通常以为超前校正网络的传递函数近似代替，超前校正网络的传递函数为： 假设：期望的相位裕度，穿越频率为了提高系统穿越频率，则需要在其幅值下降前抬高它的下降速度为-20db/s，才能提高其穿越频率。因此令：补偿网络零点频率：补偿网络极点频率：则：公式求得补偿网络增益：可得：使用MATLAB绘制补偿网络传递函数伯德图程序如下： num=1.48e-3 44.12; den=3.34e-6 1; g=tf(num,den); mar

6、gin(g);图5 PD补偿网络传递函数伯德图在不忽略电容等效电阻的情况下，系统低频段多出一个零点，抑制了相位裕度的范围，只使用单一的PD调节难以做到既满足相位裕度，又满足幅值穿越频率。因此这里暂时忽略电容等效电阻带来的影响。整个系统的传递函数如下：使用MATLAB绘制整个系统经补偿后的传递函数伯德图程序如下： num=2.96e-3 88.24; den=1.26e-13 3.79e-8 2.8e-5 1; g=tf(num,den); margin(g);图6 整个系统经补偿后的伯德图相位裕度：55.1°穿越频率：1.29e4Hz因此可知，经过校正，系统满足了要求指标PD补偿后总

7、的系统伯德图如下：图7 PD补偿后总的系统伯德图4 负载满载运行及突加突卸4.1 负载满载运行时的电路图及其波形仿真4.1.1 负载满载运行时的电路图图8 负载满载运行时的电路图4.1.2 负载满载运行时的仿真图图9 负载满载运行时电流、电压波形图（PD）图10 负载突加突卸80%运行时电流、电压局部波形图（PD）4.2 负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真4.2.1 负载突加突卸80%运行时的电路图图11 负载突加突卸80%运行时的电路图4.2.2 负载突加突卸80%运行时的仿真图采用脉冲控制理想开关的通断，观察系统突加突卸能力（负载扰动）：图12 负载突加突卸80%运行时电流、电压波形

8、图（PD）图13 负载突加突卸80%运行时电流、电压局部波形图（PD）由于忽略了电容等效电阻，使得输出电压纹波极小，小于50mv，满足要求。系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.2V的波动，恢复时间约为200s，效果并不很好。在负载突加突卸80%时，有: 解得：5 电源扰动20%时电路图及仿真图5.1 负载满载运行时的电路图及其波形仿真5.1.1 电源扰动20%运行时的电路图图14 电源扰动20%运行时的电路图5.1.2 电源扰动20%运行时的仿真图观察系统电源突加突卸能力（电源扰动）：图15 电源扰动20%运行时的电流、电压波形图（PD）图16 电源扰动20%运行时的电流、电压局部波形

9、图（PD）6 作业小结这次设计电路，让我不仅了解了Buck变换器基本结构及工作原理，掌握了电路器件选择和参数的计算，并且学会使用Matlab仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真，使自己对开关电源和电力电子又有了更加深刻的了解。在做报告的这段时间里，我通过不断的查找资料，并且在Matlab中仿真实现了。在此过程中，我对Matlab在仿真中的应用有了进一步的了解和掌握，Matlab在电力电子方面的仿真应用时，可以将电力电子电路输出效果图形化，形象直观，可以帮助我们对电路的理解。这次设计电路也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，我认识到自己还有很多东西需要进一步加强学习，与同学们相互探讨，相互学习，相互监督，除此之外，此次课程设计还提高了我查阅资料的能力，有些知识并不能在现有书本上找到，需要自己去借阅图书，上网查找其他的学术文章作为参考，让我得到了很多收获。参考文献:1许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的