buck變換器設計.doc

電力電子技術課程設計題 目 Buck變換器設計學 院 計算機與信息科學學院專 業(yè) 自動化年 級 2012級學 號 222012321042094姓 名 鄭繼偉同 組 人 付鏡鋒指 導 教 師 何強 黃巧莉成 績 2014年 07 月 26 日201 引言12 PWM控制器設計12.1 PWM控制的基本原理12.2 控制電路設計33 buck變換器主電路設計53.1 主電路分析73.2 反饋回路設計94 buck變換器控制器設計104.1 系統(tǒng)分析104.2控制器設計124.3控制器實現(xiàn)144.4 緩沖電路設計155 問題和總結17參考文獻：18附錄：18Buck變換器設計1 引言直流-直流變流器（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路為稱斬波電路（DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，一般是指直接電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓V導通一段時間ton，由電源E 向L、R、M供電，在此期間，uoE。然后使V關斷一段時間，此時電感L通過二極管VD 向R和M 供電，uo0。一個周期內(nèi)的平均電壓。輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用2。2 PWM控制器設計本組設計要求：Buck DC/DC變換器。電源電壓Vs=12-18V，開關頻率38kHz。要求輸出電壓Vo=9V；電感電流不斷流，需要完成完成閉環(huán)設計(實現(xiàn)補償網(wǎng)絡)和MOSFET的。2.1 PWM控制的基本原理1PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一條重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N個彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到PWM波形。各PWM 脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形?？梢?，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效2 。 圖3 用PWM波形代替正弦波2.2 TL494的時序當鋸齒波電平死區(qū)時間控制電平時，死區(qū)時間比較器輸出高電平。當鋸齒波電平反饋/PWM輸入電平時，PWM比較器輸出高電平。死區(qū)時間控制電壓和反饋/PWM輸入電壓，二者中較高的電平控制觸發(fā)器時鐘寬度。當輸出控制電壓=H時， Q和時鐘信號均為0時，Q1基極獲高電平導通， /Q和時鐘信號均為0時， Q2基極獲高電平導通，兩管輪流導通，稱為推挽工作方式。當輸出控制電壓=L時，時鐘信號為0時， Q1和Q2基極獲高電平導通，兩管同時導通，稱為單端工作方式。圖4 TL494時序圖2.3 控制電路設計PWM控制芯片TL494是頻率固定的PWM控制器，主要為開關電源控制器而設計。其具有：【2】完整的脈沖寬度調制控制電路 片上的振蕩器可以工作在主動模式和被動模式 片上集成誤差放大器 片上集成 5.0V 基準電壓 可調整的死區(qū)時間控制 輸出晶體管輸出和灌入電流可達 500mA 輸出控制可用于推挽式和單端式 低壓鎖定控制電路使用PWM控制芯片TL494來產(chǎn)生開關控制信號。其原理圖如下：圖5 PWM控制原理圖和工作波形圖6 TL494內(nèi)部框圖圖7 PWM控制電路接線圖表1 PWM控制電路器件清單序號名稱數(shù)量備注116腳IC插座12CT電容16823電位器24死區(qū)電阻15.1k512號引腳電容1104612腳與7腳去耦電容1電解電容用以上器件，將PWM控制電路焊接完畢之后，調試過程中發(fā)現(xiàn)，不管如何調節(jié)電位器RT，開關頻率始終在幾百Hz，距離要求的38kHz相差甚遠。便懷疑是焊接過程出現(xiàn)了問題，用萬用表檢查各個觸點，發(fā)現(xiàn)與6號腳連接的電位器的中間端應該接地，卻接在了電源線上面，修正了這一錯誤之后。電路運行正常。調試電路，得到TL494芯片的5號腳出現(xiàn)鋸齒波，9和10腳出現(xiàn)方波。由本組實驗要求，開關頻率為38kHz,調節(jié)6號腳的電位器直至開關頻率為38kHz。圖8 方波3 buck變換器主電路設計3.1 主電路分析圖9 主電路開環(huán)控制圖 (1) (2)將最小電流值取0.5A，電源電壓取18V。通過（1）（2）兩公式求得Lmin=164uH又根據(jù)領的磁環(huán)尺寸得知，其：AL=93(3)Nmin=29計算得知，最少需纏繞漆包線29圈，實際纏繞過程中，為了使電感盡可能地大一些，提高實驗的成功率，纏繞了59圈。表2 電感參數(shù)表磁環(huán)型號ALNN實際理論電感實測電感KT106-269329 59164uH332.5uH表3 開環(huán)控制參數(shù)表名稱 數(shù)值型號CT6.67nF682RT 4.76kEOS T二極管VDSR2100MOSFETIRF530N驅動電阻Rg305W30J濾波電容1977uFLXZ去耦電容Bb45uFS7C用以上元器件將開環(huán)控制電路焊接完畢之后，經(jīng)過調試未發(fā)現(xiàn)問題，順利測出了開環(huán)的各項數(shù)據(jù)，通過調節(jié)電位器W1,改變占空比，測得開環(huán)情況下，各數(shù)據(jù)如下表所示：表4 開環(huán)測試表輸入電壓 占空比 3號腳電壓（v） 理論輸出電壓(v) 實際輸出電壓（v）18v03.500.00.0718v0.053.380.90.5318v0.13.291.81.1118v0.32.845.43.7118v0.52.159.06.6618v0.71.6312.69.5718v0.81.4114.410.7618v最大0.715.611.923.2 反饋回路設計系統(tǒng)框圖如下：圖10 Buck變換器系統(tǒng)框圖主電路圖如下：圖11 主電路圖整個Buck電路包括Gc（s）補償器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）開環(huán)傳遞函數(shù)和H（s）反饋回路。給定量R（s）(既TL494芯片2號腳電位器所對應電壓)與反饋量H（s）(既與比較產(chǎn)生的偏差通過bode圖法得到控制器Gc（s）校正后來調節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當占空比發(fā)生變化時，輸出電壓即作出相應的調整,來消除偏差。降壓變壓器閉環(huán)連接電路圖為：圖12 反饋回路和補償器反饋回路既H（s）取0.164，既為0.164。取Ry為10K歐姆，Rx為51K歐姆。一端接地。4 buck變換器控制器設計4.1 系統(tǒng)分析把TL494芯片占空比調到最大（調節(jié)2號腳電位器，當占空比恰好變小那刻）5號腳鋸齒波所對應的峰值電壓即為實驗所需數(shù)據(jù)Vm的值，實驗測得為3V。開環(huán)下，傳遞函數(shù)Gvd為： (4)帶入數(shù)據(jù)得：(5)原始回路增益函數(shù)為： (6)帶入數(shù)據(jù)得： (7)用MATLAB得開環(huán)下系統(tǒng)的伯德圖為：圖12 開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖由圖很容易知道，此系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要加入控制器，使系統(tǒng)穩(wěn)定。4.2控制器設計補償器的傳遞函數(shù)為： (8)補償網(wǎng)絡有兩個零點、三個極點。零點為： (9) (10)極點為：為原點， (11) (12)頻率與之間的增益可近似為: (13)在頻率與之間的增益則可近似為： (15)考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率取 （為開關頻率）開環(huán)傳函的極點頻率為，將兩個零點的頻率設計為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則： (16)將補償網(wǎng)絡兩個極點設為以減小輸出的高頻開關紋波。 (17) (18)根據(jù)已知條件使用MATLAB程序（源代碼見附錄）算得校正器Gc（s）各元件的值如下：取 R2=6*104歐姆 H(S)=0.164算得：R1=6000歐姆 R3=25歐姆 C1=442e-09F C2=1e-9F C3=442e-9F補償器伯德圖為：圖13 補償器的伯德圖加入補償器后：圖12 加入補償器后系統(tǒng)的伯德圖相角裕度到達91.8度，幅值裕度到達30分貝，符合設計要求。（所用MATLAB程序見附錄）4.3控制器實現(xiàn)電位器W1的中間引腳(電位器的2號引腳)原來接TL494 3號腳，現(xiàn)在變?yōu)榻优c2號腳相連的R1的輸入端。按照計算所得的數(shù)據(jù)連接電路圖，調試運行良好。在數(shù)據(jù)測試的過程中，不但測試了輸出為9v，還測試了輸出為8v，以及紋波電壓等數(shù)據(jù)，詳細見下表：表5 閉環(huán)測試表電源電壓（v） 設定值（v） 理論輸出（v） 實際輸出（v） 誤差 121.4798.18 9.1% 131.4798.446.2%141.47 98.485.7%151.47 98.505.6%161.47 98.51 5.4%171.47 98.51 5.4%181.47 98.52 5.3%191.47 98.54 5.1%141.17 87.50 6.2%151.17 87.67 5.4%161.17 87.66 5.5%171.17 87.66 5.5%181.17 87.67 5.4%紋波電壓:v=8mv4.4 緩沖電路設計 反饋回路完成之后，經(jīng)過何老師驗收通過。之后，我們又做了MOSFET的RC緩沖電路。緩沖電路是并聯(lián)在半導體開關管上起保護和改善開關性能的電路。作用如下：【4】 1)降低或消除電壓、電流尖峰；(2)限制 dldt或 dVdt；(3)使系統(tǒng)運行在安全操作 區(qū)(SOA)內(nèi)；(4)把開關功率損耗轉移到電阻或有用負載上；(5)降低總 的開關損耗 ；(6)通過鉗位 電壓 和電流振蕩降低 EMI。 通過查閱資料和計算，我們將一個1nF的電容和10歐姆的電阻串聯(lián)起來之后，并聯(lián)在MOSFET上。做了緩沖前后的輸出電壓分別如圖12和圖13.可以看出，做了RC緩沖之后輸出電壓質量得到明顯的提高。圖13 緩沖之前輸出電壓波形圖14 緩沖之后輸出電壓波形4.5 閉環(huán)控制原理校正原理：由于H（s）=0.164，故：Rs=0.164*Vo.例如當2號腳電壓為1V時，期望的輸出電壓即為6.10V。當系統(tǒng)輸入電壓調高或者調低時，輸出電壓Vo通過反饋回路與給定信號比較，產(chǎn)生的偏差輸入校正器。校正器通過積分作用產(chǎn)生補償信號在輸入PWM控制器，使PWM控制器的誤差信號做出相應變化。當輸入電壓調高時，變低，開關信號的占空比隨之變小，輸出電壓Vo保持不變。當輸入電壓調低時，變高，開關信號的占空比隨之變大，輸出電壓Vo保持不變。接上反饋回路和補償器后，調節(jié)2號腳電位器使給定電壓為1.47V。期望的輸出電壓為9v。實際輸出電壓，由于MOSFET問題無法達到這個值。比預設值偏小一點，詳見閉環(huán)測試表。5 問題和總結課程設計過程中遇到的問題及解決：1. 在焊接電路板時，為了避免電路的干擾問題，盡可能地減小雜散電感和雜散電容【4】接線要盡可能的短，元件要適當?shù)倪h離。2. 在接線的過程中，為了方便檢查，我們接地線用了統(tǒng)一的黑色，電源線用了紅色。而中間接線通用了黃色?？偨Y：大二暑假，我們開始了電力電子課程設計課程。此次電力電子課程設計我們組雖然完成的比較快，只用了一天半的時間，加上驗收有僅僅花了兩天多一點的時間。但是，在這幾天里，我學到了很多知識。這次課程設計是對我們所學課程的一次檢驗，更是一次實際應用。通過此次課程設計，使我們對“電力電子技術”還有“自動控制原理”等課程有了更深入的了解。使我們不單單局限于書本上的知識，使我們學會如何將理論知識與實際應用結合起來。更讓我們看到了理論和實踐的差距，鍛煉了自己解決實際問題的能力。在此次課程設計過程中，我遇到的問題還是很多的。一開始拿到這個題目時，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識比較少，光靠自己所學的知識根本解決不了，我們?nèi)D書館以及網(wǎng)站找了很多資料，包括焊接電路時的要點，以及要注意的東西。電路調試的過程中，要學會保護自己電路板以及上面的器件，避免讓其大電流長時間工作等等。很多都是課本上沒有的東西，但是在這次課程設計中發(fā)揮了很大的作用，也使我感覺特別充實。然后在做設計的過程中我學到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對以前所學過的知識理解得不深刻，掌握得不牢固，以后還要努力。通過這次課設，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識運用到實際中的能力，受益良多。注:驗收文件分散在了論文中，沒有單獨列出。參考文獻：1 王兆安，劉進軍.電力電子技術M.北京.機械工業(yè)出版社,2010.1.2 李牛，Motorola TL494手冊.3 胡壽松.自動控制原理M.北京.科學出版社,2007.6.4 楊鳳彪, 楊怡君, 閆英敏, 趙霞.RC緩沖電路的優(yōu)化設計.2008.5附錄：所用MATLAB程序代碼如下：clc;clear all;%LCfsVmVgRHVoIo%dIdI_maxduL=332.5*10(-6