BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-55V25V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù)題目：BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 55V/25V目錄一、課題背景31.1 BUCK電路的基本結(jié)構(gòu)及等效電路基本規(guī)律31.2 BUCK電路的工作原理31.3BUCK電路應(yīng)用4二、目的5三、設(shè)計(jì)要求5四、設(shè)計(jì)步驟5（一）主電路參數(shù)設(shè)計(jì)5（二）濾波電感L的計(jì)算6（三）閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)61、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖62、BUCK變換器原始回路傳函的計(jì)算73、補(bǔ)償器的傳函設(shè)計(jì)：見附錄373、閉環(huán)系統(tǒng)仿真8五、總結(jié)和心得9六、參考文獻(xiàn)10七、附錄11附錄1：11附錄2：11附錄3：12附錄

2、4：12附錄5：14一、課題背景1.1 BUCK電路的基本結(jié)構(gòu)及等效電路基本規(guī)律 電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計(jì)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) 。 電路工作頻率很高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對(duì)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(shí)，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原理。一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷

3、高于放電電荷時(shí)，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(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)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(dá)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(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。開關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)S置于2位時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： ，

4、此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)： 此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)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(gè)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(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。1.2 BUCK電路的工作原理1.2.1電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析 圖1-2 BUCK電路的等效電路 （1）晶體管導(dǎo)通狀態(tài) VD關(guān)斷，依據(jù)等效電路拓?fù)?，由于電路頻率很高，一個(gè)周期內(nèi) 和 基本維持不變，可視為固定值， 為常數(shù)，電流變化為線性。， 。（2）二極管VD

5、導(dǎo)通模式 晶體管關(guān)斷，電感續(xù)流，二極管導(dǎo)通 ，同樣，由于 視為維持不變，則輸出電流線性減小。，。1.3BUCK電路應(yīng)用BUCK電路主要應(yīng)用于低壓大電流領(lǐng)域，其目的是為了解決續(xù)流管的導(dǎo)通損耗問題。采用一般的二極管續(xù)流，其導(dǎo)通電阻較大，應(yīng)用在大電流場合時(shí)，損耗很大。用導(dǎo)通電阻非常小的MOS管代替二極管，可以解決損耗問題，但同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求。此外，對(duì)Buck電路應(yīng)用同步整流技術(shù)，用MOS管代替二極管后，電路從拓?fù)渖险狭薆uck和Boost兩種變換器，為實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC變換提供了可能。在需要單向升降壓且能量可以雙向流動(dòng)的場合，很有應(yīng)用價(jià)值，如應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車時(shí)，輔以三相可控全橋

6、電路，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電。下面介紹幾種應(yīng)用實(shí)例：1.3.1 UC3842電路UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。其應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋洪_關(guān)電源；工業(yè)電源；電壓反饋電路設(shè)計(jì)；反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)。1.3.2 SG3525電路SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。

7、它的應(yīng)用領(lǐng)域是：開關(guān)電源；直流變換器；逆變器設(shè)計(jì)；脈沖寬度調(diào)制。1.3.3 TL431電路TL431是可控精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。應(yīng)用領(lǐng)域：電平值轉(zhuǎn)換；充電器；開關(guān)電源；適配器；DVD；電視機(jī)。1.3.4 BUCK電路的使用注意BUCK電路只有一個(gè)電感，沒有變壓器，輸入與輸出不能隔離。這就存在一個(gè)危險(xiǎn)，一旦功率開關(guān)損壞電路，輸入電壓將直接加到負(fù)載電路，因?yàn)檎伎毡菵<1，所以BUCK電路僅有一路輸出，如果

8、輸出電壓為5V，還需要3.3V時(shí)，則要加后續(xù)調(diào)節(jié)器，BUCK電路在多路輸出時(shí)是這樣應(yīng)用的。二、目的1. 了解開、閉環(huán)降壓拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)及工作原理；2. 掌握BUCK開關(guān)電源電路中各元器件選擇和主要參數(shù)的計(jì)算；3. 運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的開、閉環(huán)降壓電路進(jìn)行仿真。4. 掌握降壓電路電壓控制雙極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償器環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)。三、設(shè)計(jì)要求輸入直流電壓(VIN)：55V輸出電壓(VO)：25V輸出電流(IN)：5A輸出電壓紋波(Vrr)：50mV5、開關(guān)頻率(fs)：80kHz6、負(fù)載突變?yōu)?0%的額定負(fù)載7、電流脈動(dòng)峰-峰值：8、二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電阻壓降VL=0.

9、1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V9、采用壓控開關(guān)s2實(shí)現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號(hào)幅值為1.周期為0.012s，占空比2%，相位延遲0.006s。四、設(shè)計(jì)步驟（一）主電路參數(shù)設(shè)計(jì)1、電容等效電阻RC和濾波電感C的計(jì)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1-1 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)， （1-1）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。本例中取為75*F。 計(jì)算出RC和C的值。（二）濾波電感L的計(jì)算開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程，再利用，可得TON=

10、5.818S，將此值回代式(2)，可得L=0.3421mH（三）閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)BUCK電路包括Gc(S)為補(bǔ)償器，Gm（S）PWM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(bǔ)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(shí)，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：系統(tǒng)框圖如下：見附錄12、BUCK變換器原始回路傳函的計(jì)算采用小信號(hào)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

11、為輸出端反饋電壓的分壓電阻，為開環(huán)傳遞函數(shù)。將Vm=50V,H(S)=5/6,Vin=55V,C=0.75*10(-3)F,Rc=0.1歐，L=0.3421*10(-3)H，R=5歐代入傳函表達(dá)式，得到：用matlab繪制波德圖，得到相角裕度21.1度。所用matlab程序：見附錄2由于相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。3、補(bǔ)償器的傳函設(shè)計(jì)：見附錄3補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)、二個(gè)極點(diǎn)。零點(diǎn)為：,極點(diǎn)為：位原點(diǎn)，,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(dá)到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取開環(huán)傳函的極點(diǎn)頻率為,將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)

12、為開環(huán)傳函兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的，則.將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。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(jìn)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(jì)算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：G(s)=GO(s)Gc(s)計(jì)算過程可通過matlab編程完成。根據(jù)閉環(huán)傳函，繪制波德圖，得到相角裕度，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。參考程序如下：見附錄4依據(jù)上述方法計(jì)算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：T(s)=GO(s)Gc(s)=3、閉環(huán)系統(tǒng)仿真用Matlab繪制Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖（不含干擾負(fù)載）(2) 對(duì)閉環(huán)

13、系統(tǒng)進(jìn)行仿真（不含干擾負(fù)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(shí)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(duì)誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為100kHz，幅值為1.5V的鋸齒波。(4) 設(shè)置仿真時(shí)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(fù)載時(shí)的輸出電壓和負(fù)載電流的波形。其中采用壓控開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號(hào)

14、幅值為1，周期為0.012S，占空比為20%，相位延遲0.006S。波形圖：見附錄5五、總結(jié)和心得這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一個(gè)星期，通過這一個(gè)星期的學(xué)習(xí)我發(fā)現(xiàn)了自己還存在很多不足的地方，例如，自己知識(shí)的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏的，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還有待提高。 在此次課程設(shè)計(jì)中，我知道了BUCK電路的工作原理，還有濾波電感，濾波電容的計(jì)算，開環(huán)原始傳遞函數(shù)的計(jì)算以及伯德圖和相角裕量的分析等等。 這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到了團(tuán)隊(duì)的力量，我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。剛開始的時(shí)候，大家就分配好了各自的任務(wù)，有的繪制原理圖，有的進(jìn)行

15、仿真實(shí)驗(yàn)，還有的積極查詢相關(guān)資料并且經(jīng)常聚在一起討論各個(gè)方案的可行性。在此次課程設(shè)計(jì)中，只有一個(gè)人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個(gè)人都知道，否則一個(gè)人的錯(cuò)誤就有可能導(dǎo)致整個(gè)工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。 在這個(gè)過程中，我也曾經(jīng)因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏失落過，也曾經(jīng)因?yàn)榉抡娴某晒Χ鵁崆楦邼q。生活就是這樣汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程設(shè)計(jì)，可是平心而論，那也耗費(fèi)了我們不少的心血，這就讓我不得不佩服那些專門搞電路設(shè)計(jì)的技術(shù)前輩們，才意識(shí)到老一輩對(duì)我們社會(huì)的付出，為了人們的生活更

16、美好，他們?yōu)槲覀兩鐣?huì)所付出多少心血??！ 通過這次課程設(shè)計(jì)，我想說，為完成這次課程設(shè)計(jì)我們確實(shí)很辛苦，但是苦中仍有樂，和小組的其他成員一起探討的日子里，我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂就在這里灑下啊！對(duì)我而言，在知識(shí)上的收獲重要，在精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學(xué)無止境的道理。我們每一個(gè)人永遠(yuǎn)不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設(shè)計(jì)必將成為我人生旅途上一個(gè)非常美好的回憶。六、參考文獻(xiàn)1陳堅(jiān)趙玲編電力電子技術(shù)及應(yīng)用電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)函授專升本教材北京中國電力出版社2006.1 2曹豐文劉振來祁春清編

17、著電力電子技術(shù)基礎(chǔ)北京中國電力出版社2007.83湯建新馬皓編著電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程北京機(jī)械工業(yè)出版社2007.34莫正康主編電力電子應(yīng)用技術(shù)第3版北京機(jī)械工業(yè)出版社2007.35嚴(yán)克寬張仲超編電氣工程和電力電子技術(shù)北京化學(xué)工業(yè)出版社2002.46王文郁石玉編電力電子技術(shù)應(yīng)用電路北京機(jī)械工業(yè)出版社2001.8七、附錄 附錄1：附錄2：num=1.65*10(-6), 2.2;den=0.257*10(-6), 0.068*10(-3), 1;G0=tf(num,den)Margin(G0) 附錄3：附錄4：clc;clear;Vg=55;L=0.3421*10(-3);C=0.75*10(-3);fs=80*103;R=5;Vm=20.83;H=0.8333;Rc=0.1;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,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)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp