BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 25V5V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計 說 明 書課程設(shè)計名稱：電力電子題目：BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 25V/5V指導(dǎo)教師： 職稱： 講 師課題名稱BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-25V/5V課 題 內(nèi) 容 及 指 標(biāo) 要 求課題內(nèi)容：1、根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計2、根據(jù)設(shè)計步驟和公式，設(shè)計雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型庫搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、觀察并記錄系統(tǒng)在額定負載以及突加、突卸80%額定負載時

2、的輸出電壓和負載電流的波形指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：25V，輸出電壓(VO)：5V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 2、負載電阻：R=1，電感電流脈動：輸出電流的10%，開關(guān)頻率(fs)=70kHz3、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F4、采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012s，占空比為2%，相位延遲0.006s進程安排第1天 閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，熟悉設(shè)計要求和設(shè)計方法第2天 根據(jù)設(shè)計原理計算相關(guān)主要

3、元件參數(shù)以及完成BUCK開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計第3天 熟悉MATLAB仿真軟件的使用，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型第4天 仿真調(diào)試，記錄要求測量波形第5天 撰寫課程設(shè)計說明書起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目錄第一章 課題背景41.1 BUCK電路的工作原理41.2 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用7第二章 課題設(shè)計要求82.1課題內(nèi)容：8第三章 課題設(shè)計方案93.1主電路部分的設(shè)計93.2閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計103.3閉環(huán)系統(tǒng)仿真14第四章 總結(jié)及心得體會15第五章 參考文獻16第六章 附錄1616第一章 課題背景1.1 BUCK電路的工作原理BUCK電路基本結(jié)構(gòu)如下圖;圖1-1 基

4、本電路結(jié)構(gòu)及開關(guān)導(dǎo)通時等效電路 開關(guān)關(guān)斷時等效電路圖1-2 等效電路模型（1）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾  波器設(shè)計 的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。（2）電路工作頻率很高，一個開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有: 電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似

5、原理。（3）一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。（4）開關(guān)S置于1位時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)S置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則

6、一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： 此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢: 此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析如下；圖1-3 BUCK電路結(jié)構(gòu)圖1-4 開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)段時等效電路a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)VD關(guān)段，依據(jù)等效電路拓撲，有： (1-4)由于電路工作頻率很高，一個周期內(nèi)輸入和輸出電壓基本維持不變，可以視為恒定

7、值，那么輸入和輸出的差值為常數(shù)，電流變化為線性，波形如圖所示； (1-5) (1-6) (1-7)b、 二極管VD導(dǎo)通模式晶體管關(guān)段，電感續(xù)流，二極管導(dǎo)通，依據(jù)電路等效拓撲有： (1-8)同樣，由于輸出電壓視為維持不變，則輸出電流線性減小，波形如圖所示；有： (1-9) (1-10)圖1-5 BUCK電路各點波形1.2 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、簿的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此，國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型智能化的元器件，特別是該變二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（MnZn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高

8、頻和較大磁通密度（Bs）下獲得高磁性能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨式，可以采用模塊化電源組分布式電元源系統(tǒng)，可以設(shè)計成N+I亢余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)聯(lián)系方式的容量擴展。而采用部分諧板轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上既可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上既可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)應(yīng)用問題，故仍需在理論上既可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量工作，以使得該項技術(shù)得以應(yīng)用?，F(xiàn)代的高頻開關(guān)電源技術(shù)是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種電力電子電源技術(shù)。可以說，凡是用電

9、的電子設(shè)備沒有不用開關(guān)電源的，如家用電器中的電視機、個人計算機、音響設(shè)備、日光燈鎮(zhèn)流器、醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備、通信電源、航空航天電源、UPS電源、變頻器電源、交流電動機的變頻調(diào)速電源、便攜式電子設(shè)備的電源等，都要使用高頻開關(guān)電源。它的應(yīng)用面之廣、應(yīng)用數(shù)量之大是任何電力電子電源都無法比擬的。由于高頻開關(guān)電源的應(yīng)用面最廣、應(yīng)用的數(shù)量多，因而從事高頻開關(guān)電源研發(fā)的工程科技人員也是最多的。第二章 課題設(shè)計要求2.1課題內(nèi)容：1、 根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計2、 根據(jù)設(shè)計步驟和公式，設(shè)計雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計3、 采用MATLAB中simulink中si

10、mpowersystems模型庫搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、 觀察并記錄系統(tǒng)在額定負載以及突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形2.2指標(biāo)要求：1、 輸入直流電壓(VIN)：25V，輸出電壓(VO)：5V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV2、 負載電阻：R=1，電感電流脈動：輸出電流的10%，開關(guān)頻率(fs)=70kHz3、 BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F4、采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0

11、.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。第三章 課題設(shè)計方案3.1主電路部分的設(shè)計1、電容等效電阻RC和濾波電感C的計算Buck變換器主電路如圖下所示，其中RC為電容的等效電阻(ESR)。圖3-1 Buck變換器主電路圖輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)， ohm （3-1） (3-2)電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080*F。設(shè)計中取為75*F。 (3-3)2、濾波電感L的計算S開通：（） (3-4)S關(guān)斷： (3-5)最終得到3.2閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計1、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3-2 閉環(huán)系統(tǒng)框圖整個BUCK電路包括Gc(S)為補償器，Gm（S）PWM

12、控制器，Gvd（S）開環(huán)傳遞函數(shù)和H(S) 反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差通過補償器校正后來調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當(dāng)占空比發(fā)生變化時，輸出電壓Uo做成相應(yīng)調(diào)整來消除偏差。系統(tǒng)傳函框圖如下所示；圖3-3 傳遞函數(shù)框圖2、BUCK變換器原始回路傳函的計算采用小信號模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 其中為鋸齒波PWM環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，近似成比例環(huán)節(jié)，為鋸齒波幅值Vm的倒數(shù)。為采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，Rx，Ry為輸出端反饋電壓的分壓電阻，為開環(huán)傳遞函數(shù)。將,H(S),=25V,C=750,Rc，L=124.43uH，R=1代入傳函表達式，得到：用Matl

13、ab繪制Bode圖，所用matlab程序：num=0.375，5den=9.316*10-8，1.242*10-4,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Transfer function: 1.875e-005 s + 2.5-9.322e-009 s2 + 1.243e-005 s + 10圖3-4 Bode圖由于相角裕度過低，需要添加有源超前滯后補償網(wǎng)絡(luò)校正。3、補償器的傳函設(shè)計圖3-5 有源超前-滯后補補償器的傳遞函數(shù)設(shè)計補償器的傳遞函數(shù)為：有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點、三個極點。零點為：，極點為：為原點，頻率與之間的增益可近似為：在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達

14、到抑制輸出開關(guān)紋路波的目的，增益交接頻率取：開環(huán)傳遞函數(shù)的極點頻率為：將兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳遞函數(shù)兩個相似極點頻率的，則將補償網(wǎng)絡(luò)兩個極點設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。先將取值，根據(jù)公式可推出：計算過程通過Matlab變成完成。根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)，繪制伯德圖，得到相角裕度。如下圖所示；圖3-6 Bode圖1圖3-7 Bode圖2先將R2任意取一值，然后根據(jù)公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，進而可得到Gc（S），根據(jù)Gc (S) 確定Kp，ki,kd的值。依據(jù)上述方法計算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：G(s)=GO(s)Gc (s)計算過程可通過Matlab編程完成。根據(jù)閉環(huán)傳函，

15、繪制波德圖，得到相角裕度，驗證是否滿足設(shè)計要求。（參考程序見附錄）3.3閉環(huán)系統(tǒng)仿真(1) 用Matlab繪制Buck電路雙極點-雙零點控制系統(tǒng)的仿真圖（不含干擾負載）圖3-8 Buck電路雙極點-雙零點控制系統(tǒng)的仿真圖(2) 對閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真（不含干擾負載），使參數(shù)符合控制要求），并記錄波形。經(jīng)過調(diào)試，設(shè)置傳輸延遲(Transport Delay)的時間延遲(Time Delay)為0.0002，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為1.5，下限為1.3，絕對誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為1

16、00kHz，幅值為1.5V的鋸齒波。(4) 設(shè)置仿真時間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長。(5) 系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形。其中采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為20%，相位延遲0.006S。圖3-9 輸出電壓和負載電流的波形圖3-10 局部放大圖第四章 總結(jié)及心得體會通過這次的電力電子課程設(shè)計，我對這學(xué)期所學(xué)的知識有了進一步的了解，比如BUCK電路的工作原理；濾波電感及濾波電容公式的推算；MATLAB軟件的使用，電路仿真時參數(shù)的調(diào)節(jié)等以及畫原理電路圖時的整體布局。在這一次的課程設(shè)計不

17、但充分結(jié)合了電力電子所學(xué)的知識，將這些知識進行了綜合運用，而且還把我這一學(xué)期所聽到的，見到的關(guān)于電力電子方面的知識應(yīng)用到了其中。通過這學(xué)期的學(xué)習(xí)，使我對電力電子的內(nèi)容有一個總體了解，對它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用上升到了一個新的高度。這些將對以后走上工作崗位，從事有關(guān)電力電子的工作有著重要的作用，同時也為我以后學(xué)習(xí)其他的知識打下了堅實的基礎(chǔ)。在這次的課程設(shè)計過程中也遇到了一些問題，比如在繪制電路圖過程中有些命令不會使用；在計算時有些公式不理解，對一些電路圖原理及調(diào)試參數(shù)的不理解等。這些問題在同學(xué)和老師的幫助以及自己上網(wǎng)搜索，最后都逐一的解決了，順利地完成了課程設(shè)計。這使我明白，僅僅依靠我們所學(xué)的知識來完

18、成課程設(shè)計是不夠的，我們需要不斷地學(xué)習(xí)知識，因為知識在不斷更新，同時學(xué)習(xí)也是一個知識積累的過程。第五章 參考文獻1電力電子系統(tǒng)建模及控制，徐德洪，機械工業(yè)出版社2開關(guān)變換器的建模與控制，張衛(wèi)平，中國電力出版社3電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真，林飛，中國電力出版社，20094電力電子課程設(shè)計指導(dǎo)書 ，本院編5電力電子技術(shù)應(yīng)用教程，蔣渭忠，電子工業(yè)出版社6電力電子技術(shù) 第五版,王兆安，機械工業(yè)出版社，20097電源的計算機仿真技術(shù),陸治國，科學(xué)出版社8 電力電子技術(shù)的MATLAB實踐，黃忠霖，國防工業(yè)出版社第六章 附錄參考程序如下：Vg=25;L=124.3*10-6;C=750*10-6;fs=70*103;R=1;H=0.2;Vm=2 G0=tf(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=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi)marg_G=1/marg_G0AV1=