BOOST電路設(shè)計及仿真

-.z.目錄一.Boost主電路設(shè)計：21.1占空比D計算21.2臨界電感L計算21.3臨界電容C計算（取紋波Vpp<2.2V）21.4輸出電阻阻值2二.Boost變換器開環(huán)分析22.1PSIM仿真22.2Matlab仿真頻域特性2三.Boost閉環(huán)控制設(shè)計23.1閉環(huán)控制原理23.2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計（使用SISOTOOL確定參數(shù)）23.3計算補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)2四．修正后電路PSIM仿真2五．設(shè)計體會2Boost變換器性能指標:輸入電壓：標準直流電壓Vin=48V輸出電壓：直流電壓Vo=220V參考電壓Vref=5V輸出功率：Pout=5Kw輸出電壓紋波：Vpp=2.2VVm=4V電流紋波：0.25A開關(guān)頻率：fs=100kHz相位裕度：60幅值裕度：10dB一.Boost主電路設(shè)計：1.1占空比D計算根據(jù)Boost變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比D的變化圍。QUOTE1.2臨界電感L計算QUOTE選取L>Lc，在此選L=4uH1.3臨界電容C計算（取紋波Vpp<2.2V）QUOTE選取C>Cc，在此選C=100uF1.4輸出電阻阻值Boost主電路傳遞函數(shù)Gvd（s）占空比d（t）到輸出電壓Vo（t）的傳遞函數(shù)為：QUOTEQUOTE二.Boost變換器開環(huán)分析2.1PSIM仿真電壓仿真波形如下圖電壓穩(wěn)定時間大約1.5毫秒，穩(wěn)定在220V左右電壓穩(wěn)定后的紋波如下圖電壓穩(wěn)定后的紋波大約為2.2V電流仿真波形如下圖電流穩(wěn)定時間大約2毫秒，穩(wěn)定在22A左右電流穩(wěn)定后的紋波如下圖2.2Matlab仿真頻域特性設(shè)定參考電壓為5V，則QUOTE，QUOTE系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為QUOTE,其中QUOTE，QUOTE由上圖可得，Gvd(s)的低頻增益為-60dB，截止頻率fc=196KHz，相位裕度--84.4，相位裕度過小，高頻段是-20dB/dec。系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要加控制電路調(diào)整。1、開環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段的增益較小，會導(dǎo)致較大的穩(wěn)態(tài)誤差2、中頻段的剪切頻率較小會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使調(diào)節(jié)時間較大。剪切頻率較大則會降低高頻抗干擾能力。3、相角裕度太小會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量較大。4、高頻段是-20dB/dec,抗干擾能力差。將QUOTE，QUOTE代到未加補償器的開環(huán)傳遞函數(shù)中。則QUOTE,其中QUOTE未加補償器的開環(huán)傳遞函數(shù)如圖三.Boost閉環(huán)控制設(shè)計3.1閉環(huán)控制原理輸出電壓采樣與電壓基準送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補償后與PWM調(diào)制后控制開關(guān)管Q的通斷，控制輸出電壓的穩(wěn)定，同時還有具有一定的抑制輸入和負載擾動的能力。令PWM的載波幅值等于4，則開環(huán)傳遞函數(shù)為F（s）=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計（使用SISOTOOL確定參數(shù)）原始系統(tǒng)主要問題是相位裕度太低、穿越頻率太低。改進的思路是在遠低于穿越頻率fc處，給補償網(wǎng)絡(luò)增加一個零點fZ，開環(huán)傳遞函數(shù)就會產(chǎn)生足夠的超前相移，保證系統(tǒng)有足夠的裕量；在大于零點頻率的附近增加一個極點fP，并且為了克服穩(wěn)態(tài)誤差大的缺點，可以加入倒置零點fL，為此可以采用如圖4所示的PID補償網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)電路寫出的PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：QUOTE式中：QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE在此我們通過使用Matlab中SISOTOOL工具來設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù),可得:零點頻率QUOTE極點頻率QUOTE倒置零點頻率QUOTE直流增益QUOTE首先確定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，按設(shè)計要求拖動添加零點與極點，所得參數(shù)如圖加入PID之后，低頻段的增益抬高，穩(wěn)態(tài)誤差減小，如圖閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如下圖幅值裕度為：GM=6.81dB，相角裕度：PM=49.6°，截止頻率：fc=10KHz高頻段f>fp，補償后的系統(tǒng)回路增益在fc處提升至0dB，且以-40dB/dec的斜率下降，能夠有效地抑制高頻干擾。3.3計算補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)由sisotool得到補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：QUOTE由前面可有補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：對比兩式可得，假設(shè)補償網(wǎng)絡(luò)中Ci=1μF依據(jù)前面的方法計算后，選用Rz=270，Rp=0.2，Rf=75.24，Cf=1.33uF。四．修正后電路PSIM仿真（1）額定輸入電壓，額定負載下的仿真電壓響應(yīng)如下圖電壓穩(wěn)定時間大約為2毫秒，穩(wěn)定值為220V，超調(diào)量有所減少，峰值電壓減小到了260V.穩(wěn)定后的電壓紋波如下圖（電壓紋波大約為2.2V）電流紋波如下（電流紋波大約為0.07A）驗證擾動psim圖（2）額定輸入電壓下，負載階躍變化0-3KW-5KW-3KW電壓響應(yīng)曲線如下圖電壓調(diào)節(jié)時間大約1ms，紋波不變大約為2.2V。由此可見，輸出電壓對負載變化的反應(yīng)速度很快且輸出電壓穩(wěn)定。電流響應(yīng)曲線如下圖（3）負載不變（3KW），輸入電壓階躍變化48-36V輸入電壓從48V變到36V時的電壓響應(yīng)如下圖輸出電壓的局部放大圖像如下圖由上圖可知，輸出電壓調(diào)節(jié)時間大約為1ms