BUCK开关电源的应用

第页目录TOC\o"1-3"\h\u第1章课题背景 11.1BUCK电路的工作原理 11.2BUCK开关电源的应用 1第2章课题设计要求 1第3章课题设计方案 13.1参数 13.2系统的组成 23.3主电路局部的设计 23.3.1滤波电感的计算 33.3.2滤波电容的计算 33.4开环系统的分析 33.4.1开环原始传递函数的计算 33.4.2开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图 43.5闭环系统的设计 43.6双极点双零点补偿控制器的设计 53.6.1补偿网络电路的原理分析 53.6.2补偿器伯德图 73.6.3参加补偿器后系统伯德图分析 83.7闭环系统的仿真 93.7.1电路模块的添加 93.7.2仿真电路参数的设置 93.7.3仿真结果 10第4章总结心得 10第5章参考文献 11第6章附录 11第1章课题背景1.1BUCK电路的工作原理BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。1.2BUCK开关电源的应用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它巨大的作用决定了对它研究的意义。第2章课题设计要求根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形第3章课题设计方案3.1参数图3-1Buck变换器主电路图1、输入直流电压(VIN)：32V。 2、输出电压(VO)：18V 。 3、负载电阻：3 。 4、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)：80kHz。 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75。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。当s导通时有：〔〕〔1〕当s关断时有：〔2〕t与的关系：〔3〕3.2系统的组成整个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)反应网络。采样电压与参考电压Vref比拟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。系统传函框图：3-2。图3-2系统传函框图3.3主电路局部的设计3.3.1滤波电感的计算由公式，其中〔4〕，其中，R=3〔5〕〔6〕设计要求中，求得，。3.3.2滤波电容的计算由前面的公式〔1〕，〔2〕，〔3〕及一些参数，，，，。算得：，，。3.4开环系统的分析3.4.1开环原始传递函数的计算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GO(s)为：〔7〕其中，〔8〕其中，是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是级的，这样整个电路的误差会小。此次设计，它们的单位是。〔9〕将数据代入公式〔7〕，得3.4.2开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图将的表达式输入到MATLAB软件中，可以得到如图3-3所示的伯德图，由图可知=25.6deg。相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。图3-3开环原始传递函数的伯德图3.5闭环系统的设计图3-4闭环系统构造框图图3-4中包含输入电源，滤波电感，滤波电容，负载，脉冲信号，续流二极管，参考电压以及一些传递函数。3.6双极点双零点补偿控制器的设计3.6.1补偿网络电路的原理分析图3-5有源超前-滞后补偿网络电气图图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成，通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式：〔10〕有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。〔11〕〔12〕〔13〕〔14〕〔15〕〔16〕零点为：〔17〕〔18〕极点为：为原点〔19〕〔20〕频率与之间的增益可近似为:〔21〕在频率与之间的增益那么可近似为：〔22〕考虑到达抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取〔为开关频率〕：kHz(23)开环传函的极点频率为：(24)将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，那么(25)将补偿网络两个极点设为,以减小输出的高频开关纹波。(26)(27)根据条件使用MATLAB程序算得校正器Gc〔s〕各元件的值如下〔程序见附录〕，取R2=10000欧姆：=1.4259；=548.0150；=18.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通过公式〔10〕得出：3.6.2补偿器伯德图 图3-6补偿器伯德图3.6.3图3-7参加补偿器后系统的伯德图由图可知，在参加补偿器之后的=152deg,它远远大于未补偿之前的=25.6deg，相角裕度增加，到达设计的要求。3.7闭环系统的仿真3.7.1电路模块的添加在MATLAB软件中，点击Simulink,新建一个.mdl的文件，然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,PulseGenerator,IdealSwitch,R,VoltageMeasurement,Scope,Transportdelay,gelding,TransferFcn,Saturation,3.7.2仿真电路参数的设置①输入的直流电压为18V。②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。③设置仿真时间为，采用ode23s算法，可变步长。④设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为，积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为，下限为，绝对误差(Absolutetolerance)为，PWM的载波为80kHz，幅值为的锯齿波。3.7.3图3-8未加干扰仿真图图3-9加干扰仿真图第4章总结心得通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。本课程设计是在韩霞教师的亲切关心与细心指导下完成的。从课题的选择到最终的完成，韩教师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。在此对钱教师表示最衷心的感谢！第5章参考文献[1]电力电子技术王兆安机械工业出版社 [2]开关电源技术教程张占松机械工业出版社 [3]电源的计算机仿真技术 陆治国 科学出版社[4]电力电子技术计算机仿真实验 李传琦 电子工业出版社[5]电力电子应用技术的MATlab仿真 杜飞 中国电力出版社[6]电力电子技术的MATLAB实践 黄忠霖 国防工业出版社[7]电力电子系统建模及控制 徐德洪 机械工业出版社 第6章附录附录1MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=*10^(-4);C=9*10^(-4);fs=80*10^3;R=3;Vm=;H=0.8;Rc=0.083;G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);figure(1);margin(G0);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1;fz2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=fs;[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*10^3;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2