BUCK變換器設(shè)計(jì)報(bào)告

..BUCK變換器設(shè)計(jì)報(bào)告一、BUCK主電路參數(shù)計(jì)算及器件選擇BUCK變換器設(shè)計(jì)方法利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)BUCK變換器,首先要選取合適的仿真軟件。本文采用MATLAB和PSIM設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行BUCK變換器的綜合設(shè)計(jì)。在選取好設(shè)計(jì)軟件之后,先根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取合適的主電路及主電路元件參數(shù),建立仿真模型,并進(jìn)行變換器開環(huán)性能的仿真。如果開環(huán)仿真結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求,再考慮選取合適的閉環(huán)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好閉環(huán)控制器后,對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)函數(shù)的仿真,選取超調(diào)小、調(diào)節(jié)時(shí)間快的閉環(huán)控制器搭建模型進(jìn)行電路仿真。2、主電路的設(shè)計(jì)BUCK變換器設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入電壓：標(biāo)稱直流電壓48V,范圍：43V～53V；輸出電壓：直流24V；輸出電流：直流5A；輸出電壓紋波：100mV；輸出電流紋波：0.25A；開關(guān)頻率：250kHz；相位裕量：60；幅值裕量：10dB。設(shè)計(jì)要求計(jì)算主回路電感和電容值；開關(guān)器件選用MOSFET,計(jì)算其電壓和電流定額；設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)；畫出整個(gè)電路,給出仿真結(jié)果。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),采用BUCK電路作為主電路,使用MOSFET元件作為開關(guān)元件,這是因?yàn)镸OSFET的開關(guān)速度快,工作頻率高,可以滿足250khz的開關(guān)頻率,此外,MOSFET與其他開關(guān)器件最顯著的不同,是MOSFET具有正溫度系數(shù),熱穩(wěn)定性好,可以并聯(lián)使用,其他開關(guān)器件不具有此特性?！?BUCK電路的主電路的拓?fù)鋱D：〔2主電路的基本參數(shù)計(jì)算:開關(guān)周期：Ts=1/fs=4*占空比<不考慮器件管壓降>：D=Vin=43V時(shí),DmaxVin=53V時(shí),Dmin=v輸出電壓：Vo=24V；輸出電流：Io=0.25A;額定負(fù)載：R=Vo÷Io=4.8Ω紋波電流：△I=0.25A；紋波電壓：△V=100mV電感量理論值計(jì)算：由：,得：,電容量理論值計(jì)算：由：,得考慮到能量?jī)?chǔ)存以及伏在變化的影響,要留有一定的裕度,故取C=120uF.由于電解電容一般都具有等效串聯(lián)電阻Resr,因此在選擇的過程中需要注意此電阻的大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響。一般對(duì)于等效串聯(lián)電阻過大的電容,我們可以采用電容并聯(lián)的方法減小此串聯(lián)電阻。取Resr=50m〔3主電路開環(huán)性能測(cè)試現(xiàn)通過Matlab對(duì)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真。A、首先計(jì)算系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如下：對(duì)主電路進(jìn)行Laplace變換可得到系統(tǒng)在復(fù)頻域下的傳遞函數(shù)：,,B、編制MZTLAB程序,由MATLAB計(jì)算主回路的傳遞函數(shù),畫出bode圖。1取Resr=50mΩ,Rload=4.8Ω,得傳遞函數(shù)：Gvd<s>=<0.000144s+24>/〔1.273e-008s^2+2.788e-005s+12>開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖由上圖可得,系統(tǒng)的剪切頻率為7kHz,其相位裕量為17.7<60,相位裕度不足。顯然不滿足設(shè)計(jì)要求。C、主電路的PSIM仿真電壓波形：電流波形：由上圖可知,電壓和電流的超調(diào)量都很大,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行源矯正,使系統(tǒng)相位裕量增大,減小超調(diào)和震蕩,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。二、控制器的設(shè)計(jì)<1>BUCK變換器的控制方框圖及原理：BUCK降壓變換電路的控制器主要有電壓型控制和電流型控制。其中電壓型控制的原理是:將開環(huán)電路的輸出電壓進(jìn)行采樣,采樣信號(hào)H〔s與基準(zhǔn)電壓Vref輸送到誤差放大器,G<s>設(shè)計(jì)的有源串聯(lián)校正PID環(huán)節(jié)。其輸出經(jīng)過補(bǔ)償再經(jīng)PWM脈寬調(diào)制,調(diào)制后的信號(hào)控制開關(guān)Q的通斷,以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定,從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。而電流型控制設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,所以用電壓型控制進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。下圖為電壓型控制的原理框圖。引入反饋后,構(gòu)成閉環(huán)控制。Gvd<s>—開環(huán)增益,Gc<s>*Gpwm—調(diào)節(jié)器,H<s>—反饋因子Gvd,由此T=Gvd<s>*H<s>*Gc<s>*Gpwm—回路增益〔閉環(huán)增益得到回路增益〔閉環(huán)增益：根據(jù)閉環(huán)控制框圖和電壓型控制器的電路可在PSIM中搭建閉環(huán)控制仿真圖如下:負(fù)載兩端電壓VP1仿真結(jié)果：待穩(wěn)定后,放大局部,得到下圖結(jié)果：由圖分析,加入反饋后,超調(diào)量明顯減小,調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。但輸出電壓并不是在24V左右波動(dòng)。因此,接下來,需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。三、K-因子法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器〔1調(diào)節(jié)器的選用。為取得好的校正效果,選用PID調(diào)節(jié)器。閉環(huán)電路搭建好后,接下來的工作便是確定串聯(lián)PID校正環(huán)節(jié),即確定新的開環(huán)剪切頻率和相位裕量,確定控制回路中各個(gè)電阻電容的取值?？刂菩Ｕh(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)有很多方法?？梢杂肒因子法作為基礎(chǔ),使用Matlab自帶工具箱SISOTOOL進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的校正。.〔2K-因子法設(shè)計(jì)步驟K因子校正的方法主要有以下幾步：a、首先確定新的剪切頻率fcb、確定校正前fc處的相角φc和校正后的相位裕量φ.c、基于φs確定K值,公式如下〔類型三,d、基于K-因子確定補(bǔ)償器的零點(diǎn)、極點(diǎn)位置,并計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。計(jì)算公式如下：,,e、校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下：〔3控制器參數(shù)選擇及計(jì)算采用類型三的PID環(huán)節(jié)進(jìn)行校正。為保證系統(tǒng)不受高頻信號(hào)的干擾,選取的截止頻率須在開關(guān)頻率的一半以下,為了讓其抗噪聲能力提高,一般截止頻率取在開關(guān)頻率的1/4~1/5處。同時(shí),為了保證幅值裕量,還需對(duì)校正的結(jié)果進(jìn)行仿真,觀察其幅值裕量是否能夠滿足要求。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),選取截止頻率為10kHZ左右便可滿足調(diào)節(jié)時(shí)間紋波的要求。參數(shù)計(jì)算如下：fc=10.11φc=-１５７,φ'cK=37.702控制器電容電壓參數(shù)：令R1=Rbias=5KΩ,得：RC1=18.826uF,C2=1.532nF,R3<4>環(huán)性能分析利用以上求得的數(shù)據(jù),用Matlab的SISOTOOL工具箱可畫出加入補(bǔ)償器后的傳遞函數(shù)BODE圖如下：由bode圖可得系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率和相位裕量均滿足要求,幅值裕量為無窮大,也滿足要求。該校正的主要缺點(diǎn)是截止頻率偏低,致使在主回路大電容情況下的響應(yīng)速度略慢。系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如下：由Bode圖可知,系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.4ms,有少量的超調(diào)。<5>閉環(huán)性能的仿真用PSIM軟件所做的加入補(bǔ)償器后的仿真電路如下圖所示：電壓仿真結(jié)果如下圖所示〔直流48V電壓輸入超調(diào)量太大,峰值電壓在47V左右,要對(duì)K因子算出的結(jié)果進(jìn)行修正。四、補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc<s>的修正———應(yīng)用設(shè)計(jì)方法如下：〔1先將K因子法補(bǔ)償?shù)牧銟O點(diǎn)加入到開環(huán)傳遞函數(shù)中并在SISOTOOL中繪制Bode圖?！?拖動(dòng)零、極點(diǎn)位置將重合的零、極點(diǎn)分離。打開系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)時(shí)仿真圖?！?拖動(dòng)Bode圖上零、極點(diǎn)或進(jìn)入面板修改各個(gè)極點(diǎn)的位置,觀察階躍響應(yīng)曲線,直到達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)。此時(shí)進(jìn)入SISOTOOL面板中記錄校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)〔4利用同K因子法相同的計(jì)算公式計(jì)算電容電阻的參數(shù)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)方法,將K因子法的補(bǔ)償結(jié)果導(dǎo)入SISOTOOL中,得到Bode圖如下。將加入的兩個(gè)零點(diǎn)的頻率適當(dāng)減小并分離,以提高開環(huán)傳遞函數(shù)在震蕩極點(diǎn)處的相位裕量。同時(shí),將兩個(gè)極點(diǎn)向更高頻次的范圍內(nèi)擴(kuò)展并分開,通過改變?cè)鲆?適當(dāng)提高截止頻率,減小調(diào)節(jié)時(shí)間。按照上述方法,在sisotool的bode圖中調(diào)節(jié)零極點(diǎn)和曲線位置,找到合適的閉環(huán)階躍響應(yīng),如下圖所示。此時(shí)的Bode圖為：由圖中可得系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率和相位裕度均滿足要求,幅值裕量為無窮大,滿足要求。由閉環(huán)階躍響應(yīng)可知,系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)的時(shí)間比K因子法大大縮減。由圖中可得,fz1=460HZ,fz2=1180HZ,fp1=61KHz,剪切頻率fc=87kHz；R2=50Ω,計(jì)算得R1=Rbias=6664Ω,C1=51.76nF,C2=314.2pF,R3=3451Ω,C3=39.1nF.五、修正后的PSIM仿真