基于SABER的升壓變換器電源設(shè)計

1、電氣工程綜合設(shè)計題目 基于SABER的升壓變換器電源設(shè)計 二級學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 111070403 學(xué)生姓名 趙遠(yuǎn)東 學(xué)號 11107990733 學(xué)生姓名 張 強(qiáng) 學(xué)號 11107990731 學(xué)生姓名 周公平 學(xué)號 11107990734 指導(dǎo)教師 劉述喜 時 間 第十四周到第十六周 考核項(xiàng)目平時成績20分設(shè)計35分報告15分答辯30分得分總分考核等級教師簽名目 錄1、 Saber的介紹.1 1.1、Saber的特點(diǎn).1 1.2、Saber的組成部分.1 1.3、Saber的分析功能.12、 Boost變換器的工作原理.23、 Boost電路參

2、數(shù)設(shè)定.34、 Boost變換器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)計.6 4.1、電壓閉環(huán)控制.7 4.1.1、PI調(diào)解器的原理.7 4.1.2、PWM脈寬調(diào)制的原理.8 4.2、閉環(huán)電路參數(shù)設(shè)計.9 4.2.1、Gvd(s)的傳遞函數(shù)分析.10 4.2.2、補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc(s)的設(shè)計.11 4.2.3、補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計.115、 Boost電路的仿真分析.126、 結(jié)論 .15七、參考文獻(xiàn). 16 摘要本文通過使用Saber軟件，在SaberSketch界面中，利用通用電子元件，對其參數(shù)賦值，仿真研究了升壓式（Boost電路）DC-DC變換器電源設(shè)計。分析Boost電路的工作原理，體現(xiàn)了理論結(jié)果的直觀化和可視化。

3、使用軟件對開關(guān)電源進(jìn)行開環(huán)仿真輸入電壓波動時輸出紋波電壓較大不能滿足設(shè)計要求對系統(tǒng)進(jìn)行小信號分析后根據(jù)系統(tǒng)伯德圖分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計將閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)加入系統(tǒng)進(jìn)行仿真結(jié)果表明閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)不僅使得輸出電壓迅速上升而且減小了輸出電壓的紋波系數(shù)提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，而DC-DC變換器是它的核心組成部分，它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。目前，因全球能源問題，各種各類的電池使用已備受關(guān)注了，當(dāng)中包括太陽能電池及燃料電池。電池供電逐漸成為主要的趨勢，而幾乎在所有的便攜式電子產(chǎn)品中，系統(tǒng)中各類器件對電源電壓有著不同的要

4、求。例如：（1）處理器核常用的電源是1.1v，存儲器要用2.5V和3.3v的電源；（2）太陽能電池以及燃料電池與蓄電池的直接耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電等等，以上系統(tǒng)中要維持各器件的正常工作，必須依靠升壓式（boost電路）DCDC變換器。而研究這些電路首先要對這些電路進(jìn)行電路仿真。我們知道計算機(jī)仿真電路在電力電子的研究與開發(fā)中有著重要的作用，它可以幫助設(shè)計者對電路與系統(tǒng)的原理及工作狀態(tài)的了解，大大加速電路的設(shè)計和試驗(yàn)過程。因此，本文利用Saber仿真軟件，因?yàn)镾aber具有很大的通用模型庫和較為精確的具體型號的器件模型，而專門為Saber仿真器設(shè)計的Saber-Sketch，是建立系統(tǒng)的平臺

5、，提供了友好的用戶圖形界面，為建立系統(tǒng)的平臺提供了友好的用戶圖形界面，使得仿真非常直觀，讓使用者易學(xué)用，另外在儲能過程。開關(guān)S開通期間為電感L的儲能過程，其等Saber-Scope中觀察波形，有多種測量、分析、比較的方法，可以滿足多種實(shí)驗(yàn)要求。本文的重點(diǎn)工作就是在Saber-Sketch中建立Boost升壓變換器的仿真模型，并且在Saber-Scope中得到相關(guān)波形,為進(jìn)一步研究開關(guān)電源的相關(guān)電路的電力電子仿真分析具有重要意義。【關(guān)鍵詞】Boost電路 Saber系統(tǒng)仿真 開關(guān)電源 電壓閉環(huán)反饋 仿真 傳遞函數(shù)（一）Saber的介紹 1.1、Saber的特點(diǎn)。 集成度高。從調(diào)用畫圖程序到仿真模

6、擬，可以在一個環(huán)境中完成，不用四處切換工作環(huán)境。 完整的圖形查看功能。Saber提供了Saber-Scope和Design-Probe來查看仿真結(jié)果，而Saber-Scope功能更加強(qiáng)大。 模塊化和層次化。可將一部分電路塊創(chuàng)建成一個符號表示，用于層次設(shè)計，并可對子電路和整體電路仿真。 模擬行為模型。對電路在實(shí)際應(yīng)用中的可能遇到的情況，如溫度變化及各部件參數(shù)漂移等，進(jìn)行仿真。 1.2、Saber的組成部分。 SaberSketch-設(shè)計系統(tǒng)的圖形化輸入軟件包。是建立系統(tǒng)的平臺，提供了友好的用戶圖形界面，為建立系統(tǒng)的平臺提供了友好的用戶圖形界面，使得仿真非常直觀，讓使用者易學(xué)用。 SaberDes

7、igner-集成分析環(huán)境，仿真分析并顯示仿真結(jié)果。 SaberBook-文檔瀏覽軟件包。 1.3、Saber的分析功能。 DC analysis(直流分析)。 Transient瞬態(tài)分析。 AC(頻響分析)。 Fourier和FFT(傅立葉和傅立葉快速變換分析)。 IFFT(反快速傅立葉變換分析)。(二)Boost變換器的工作原理Boost變換電路如圖所示，線路由開關(guān)S、電感L、電容C為完成把電壓Ui升壓到Uo的功能。假設(shè)開關(guān)S的周期為T，開通時間為Ton=D，關(guān)斷時間為t=(1-D)T，D為開通占空比。Dton/T，Boost變換器有兩個工作過程：圖1：Boost升壓電路I、儲能過程。開關(guān)S

8、開通期間為電感L的儲能過程，其等效電路如圖所示。開關(guān)S開通，輸入電路被S短路，輸入電流使電感L儲能，加在L上的電壓為電源電壓Ui，電壓方向與電流方向相同。II、釋能過程。開關(guān)S關(guān)斷期間為電感L的放能過程，其等效電路如圖所示。開關(guān)S關(guān)斷，二極管導(dǎo)通，電源與輸出電 路接通，電感放能。加在電感L的電壓為輸出電壓Uo與電源電 壓Ui之差，電壓方向與電流的方向相反。電感兩端電壓在一個周期內(nèi)的平均值為： （2-1 ） 圖2：電感儲能圖由于穩(wěn)態(tài)條件下電感兩端電壓一個周期內(nèi)的平均值為零，故令UL=0，則有輸出、輸入電壓變比為： （ 2-2） 圖3：電感釋能圖由于D=(01)之間，所以Boost變換器只能升壓，

9、而不能降壓，故稱它為升壓變換器。工作輸入電流等于電感電流并且是連續(xù)的。但流經(jīng)二極管的電流卻是脈動的，由于電容C存在，負(fù)載上仍有穩(wěn)定、連續(xù)的負(fù)載電流。（三）Boost電路參數(shù)設(shè)定圖4：Boost升壓電路對Boost 電路進(jìn)行仿真分析有助于了解開關(guān)電源電路的 工作原理，同時也為相關(guān)電路的分析打下了理論基礎(chǔ)。其中，圖中 Ug為輸入直流電源，輸入電源電壓=40v、輸出電壓V=100v、負(fù)載電流=10A、開關(guān)頻率f=100KHZ，則開關(guān)周期P=10us。因此，在電感電流連續(xù)狀態(tài)下電感以及輸出的紋波電壓小于%的限值條件下，取紋波系數(shù)為0.4，則紋波電流峰峰值為10A*0.4=4A。當(dāng)開關(guān)打到1位置時，等效

10、電路圖如下所示：圖5：位置1電路等效圖 對電路圖進(jìn)行分析得：電感電壓與電容電流分別為，。 （3-1）對其進(jìn)行小紋波近似得，。 （3-2）當(dāng)開關(guān)打到2位置時，等效電路圖如下所示：圖6：位置2電路等效圖 對電路圖進(jìn)行分析得：電感電壓與電容電流分別為，。 （3-3）對其進(jìn)行小紋波近似得，。 （3-4）由上所得電感電壓的波形：圖7：電感電壓波形 在一個開關(guān)周期內(nèi)電感電壓的伏秒平衡： （3-5） （3-6）解得 （3-7）則電壓的轉(zhuǎn)化率 （3-8）電容電流波形為：圖8：電容電流波形 在一個開關(guān)周期內(nèi)電容電流的伏秒平衡： （3-9） （3-10）解得，即 。 （3-11）由位置1的電感電壓可得電感電流 （

11、3-12）由位置2的電感電壓可得電感電流 （3-13）則電感電流的波形為:圖9：電感電流波形電感電流紋波 （3-14）解得電感 （3-15）由位置1的電容電流可得電容電壓 （3-16）由位置2的電容電流可得電容電壓 （3-17）則電容電壓的波形：圖10：電容電壓波形 電容電壓紋波 （3-18）解得 （3-19）且=40v，V=100v則占空比D=0.6又，=10us，（3-20）輸出電流，即， （3-21）則解得電感=60uH，電容C=100uF。（四）Boost變換器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)計 4.1、電壓閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是控制論的一個基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對

12、輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制論中，閉環(huán)通常指輸出端通過“旁鏈”方式回饋到輸入，所謂閉環(huán)控制。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環(huán)控制的目的，這種目的是通過反饋來實(shí)現(xiàn)的。為了使變換器的輸出電壓穩(wěn)定達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，需要對變換器進(jìn)行電壓閉環(huán)控制，其工作原理為：輸出采樣電壓與給定電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號，再將誤差信號送至誤差放大器，進(jìn)行誤差的調(diào)節(jié)和放大。（誤差放大器的作用:1、對誤差信號進(jìn)行反向放大，為PWM比較器提供一個控制信號vc（t）。2、對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆群拖辔谎a(bǔ)償）。將得到的控制信號與三角載波進(jìn)行比較產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，控制開關(guān)器件的通斷。4.1.1、PI調(diào)解器

13、的原理：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器實(shí)質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在信號變換過程中，P控制器值改變信號的增益而不影響其相位。在串聯(lián)校正中，加大了控制器增益k，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度比例-微分控制具有比例-微分控制規(guī)律的控制器稱PI控制器，其輸出信號m(t)同時成比例的反應(yīng)出輸入信號e(t)及其積分。為可調(diào)比例系數(shù)；iT為可調(diào)積分時間常數(shù)。在串聯(lián)校正時，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時也增加了一個位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的

14、負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能產(chǎn)生的不利影響。只要積分時間常數(shù)iT足夠大，PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱，在控制工程中，PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能圖11：PI控制回路4.1.2、PWM脈寬調(diào)制的原理：把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。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，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）

15、相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。根據(jù)上述原理，由于本例需要的是方波信號，則用三角載波與誤差信號進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波形。通過調(diào)解PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)和給定信號，那么各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PW

16、M波形。4.2、閉環(huán)電路參數(shù)設(shè)計4.2.1、Gvd(s)的傳遞函數(shù)分析在CCM情況下，占空比D到輸出電壓的小信號傳遞函數(shù)為： （4-1） （4-2）該Boost變換器的輸入電壓為40V，輸出電壓為100V，輸出電流為10A，Lf=60uH，Cf=100uF，用Mathcad畫出Gvd(s)的幅頻特性曲線及相頻特性曲線，如圖12所示。圖12：Gvd(s)幅頻特性曲線從圖12可以求得，Gvd(s)的低頻增益為39.913dB,諧振頻率fr=2.48kHz,截止頻率fc=21.96kHz,并且斜率為-40dB/Dec圖13：Gvd(s)相頻特性曲線從圖13中可求得，其相角裕度為30度。相角裕度要進(jìn)行

17、適當(dāng)補(bǔ)償。4.2.2、補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc(s)的設(shè)計選擇雙零三極補(bǔ)償確定環(huán)路增益的截止頻率fc為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，那么fc越大越好；為了抑制開關(guān)頻率干擾，fc越小越好。因此通常去fc=(1/41/6)fs。這里去fc=1/5fs=40kHz。由|Gvd(40kHz)|=0.438得： （4-3）若參考電壓Vref=5V,則H（s）=5/24；又取Vm=3V，那么： （4-4）環(huán)路增益低頻段要有高增益由Gvd(s)的幅頻特性曲線可知，在低頻段增益較低，因此要通過補(bǔ)償電路提供積分環(huán)節(jié)。環(huán)路增益高頻段迅速衰減通過補(bǔ)償電路增加兩個極點(diǎn)，一個用來消除ESR所引起的零點(diǎn)的影響，另一個用來使高頻段以-40dB

18、/Dec的斜率衰減。環(huán)路增益要有足夠的相角裕度通過補(bǔ)償電路增加2個零點(diǎn)，對二階震蕩環(huán)節(jié)的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得足夠的相角裕度。綜上所述，補(bǔ)償電路采用比例雙積分環(huán)節(jié)的電路。圖14：補(bǔ)償電路圖 （4-5）其中， （4-6）4.2.3、補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計環(huán)路增益T(s)=Gc(s)Gvd(s)H(s)/Vm,且要保證其截止頻率fc=40kHz,并且滿足T(s)性能要求，令 （4-7）其中，為截止角頻率，。 （4-8）根據(jù)|Gc(fc)|=32.88得，K=3.875x104。因此，由下面的方程接觸參數(shù)： （4-9） （4-10） （4-11） （4-12）取,則解得各參數(shù)如下：，取參數(shù)為：， 圖15：

19、 tt(f)幅頻特性曲線 圖16：tt(f)相頻特性曲線從圖16的環(huán)路增益特性曲線可知：滿足T(s)在低頻段有高增益，在截止頻率處斜率為-20dB/Dec，在高頻段以-40dB/Dec的斜率衰減，同時相角裕度為130度。圖17:具有反饋環(huán)的Boost變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（五）Boost電路的仿真分析 仿真元件的參數(shù)設(shè)定完成后，就可以進(jìn)行仿真分析了，仿真結(jié)果如圖所示，下圖是開關(guān)管的驅(qū)動波形。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時驅(qū)動波形為高電平，當(dāng)開關(guān)斷開時，驅(qū)動波形為低電平。圖18:開關(guān)管的驅(qū)動波形由圖18可得開關(guān)器件的驅(qū)動頻率freq=99.998khz,占空比duty=0.61964。占空比是通過給定值與三角波進(jìn)行

20、比較產(chǎn)生的。與理論值頻率100khz，占空比0.6接近。圖19為流經(jīng)電感L的波形即電源的電流波形，正如在前面分析的電感電流是脈動的而且是連續(xù)的。圖19：電感電流的波形圖20為輸出電壓波形，由圖20可知輸出電壓由40v開始增長，經(jīng)過一段時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)值100v，由理論計算?？梢姺抡娼Y(jié)果與理論計算值是一致的。圖20：給定為2.5V時輸出電壓波形當(dāng)給定值從2.5V改為2.3V時輸出電壓的波形：圖21：給定為2.3V時輸出電壓波形輸出電壓最終的穩(wěn)態(tài)值為91.1V左右。當(dāng)給定改為2.1V時輸出電壓的波形：圖22：給定為2.1時輸出電壓波形輸出電壓最終的穩(wěn)態(tài)值為79.3V左右。對比圖20、圖21、圖22分析這三次的輸出電壓的波形我們可以知道輸出電壓的波形是跟隨給定電壓變化的且呈線性關(guān)系，說明誤差放大器的調(diào)解功能是成功的。下圖為輸出電流波形，由圖可知輸出電流為的最終穩(wěn)態(tài)值為10A左右，也與理論值接近。圖23：輸出電流波形由圖23的波形分析可知，此設(shè)計滿足升壓變換器電源設(shè)計輸入電壓40V，輸出電壓100V，輸出電流10A的設(shè)計要求。（六）結(jié)論 輸出的紋波電壓小于Uo%的限值條件下，電感和電容的臨界參數(shù) 本文在仿真軟件Saber中建立了Boost變換器的系統(tǒng)模型分析了Boost的工作原理，仿真得到了系統(tǒng)的輸出波形與理論計算值一致，為其他通用的升壓變換器系統(tǒng)Saber模型打下了基礎(chǔ)。掌握Saber仿