BOOST电路设计及仿真

-.z.目录一.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）21.4输出电阻阻值2二.Boost变换器开环分析22.1PSIM仿真22.2Matlab仿真频域特性2三.Boost闭环控制设计23.1闭环控制原理23.2补偿网络的设计（使用SISOTOOL确定参数）23.3计算补偿网络的参数2四．修正后电路PSIM仿真2五．设计体会2Boost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输出电压纹波：Vpp=2.2VVm=4V电流纹波：0.25A开关频率：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的变化围。QUOTE1.2临界电感L计算QUOTE选取L>Lc，在此选L=4uH1.3临界电容C计算（取纹波Vpp<2.2V）QUOTE选取C>Cc，在此选C=100uF1.4输出电阻阻值Boost主电路传递函数Gvd（s）占空比d（t）到输出电压Vo（t）的传递函数为：QUOTEQUOTE二.Boost变换器开环分析2.1PSIM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压稳定后的纹波大约为2.2V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2.2Matlab仿真频域特性设定参考电压为5V，则QUOTE，QUOTE系统的开环传递函数为QUOTE,其中QUOTE，QUOTE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、开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QUOTE，QUOTE代到未加补偿器的开环传递函数中。则QUOTE,其中QUOTE未加补偿器的开环传递函数如图三.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调制后控制开关管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PWM的载波幅值等于4，则开环传递函数为F（s）=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2补偿网络的设计（使用SISOTOOL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fZ，开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：QUOTE式中：QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE在此我们通过使用Matlab中SISOTOOL工具来设计调节器参数,可得:零点频率QUOTE极点频率QUOTE倒置零点频率QUOTE直流增益QUOTE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：QUOTE由前面可有补偿网络的传递函数为：对比两式可得，假设补偿网络中Ci=1μF依据前面的方法计算后，选用Rz=270，Rp=0.2，Rf=75.24，Cf=1.33uF。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，输出电压调节时间大约为1ms